Раздел 2. Важнейшие технологические системы производства и их характеристика

ЛЕКЦИЯ 6. ТОПЛИВНО-ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ И МИНЕРАЛЬНО-СЫРЬЕВАЯ БАЗА СТРАНЫ

6.1. Минерально-сырьевые ресурсы и их характеристика

6.1.1. Классификация сырья

Природные и искусственные материалы, используемые в промышленности для производства продукции, называют сырьем.

Сырье - один из важнейших элементов производства, влияю­щих на технологию и качество продукции. От обеспечения сырьем и его качества зависит эффективность работы промышленности. Сырье - это предмет труда, претерпевший известное изменение в процессе его добычи или производства. Например, вискозное волокно, полученное из древесины, является сырьем в текстильной промышленности; добытая железная руда - сырьем в металлургической промышленности и т. д.

Природное сырье характеризуется тем, что его получают в готовом виде из недр Земли, из различных горных пород, растений. Оно может быть и результатом жизнедеятельности разных животных. К природному сырью относятся: железная руда, известняк, доломит, глина, мел, асбест, нефть, хлопок, лен, шерсть, древесина и др.

Природное сырье в свою очередь делится на два подкласса: органические и минеральные материалы. К первым относят шерсть, лен, хлопок, древесину и другие материалы; ко вторым - железную руду, гипс, мел, асбест и др.

Искусственное сырье характеризуется тем, что его получают из разных природных материалов. К этому классу можно отнести химические волокна, синтетические каучуки и др.

Искусственное сырье также подразделяется на два подкласса: органические материалы (вискозные, ацетатные волокна и др.) и минеральные (силикатные, металлические волокна и др.).

Сырье и материалы делят на основные и вспомогательные. Основные материалы составляют материальную основу выпускаемой продукции: железная руда - чугуна; текстильные волокна - тканей; металл - машин, станков; древесина — мебели и т. д.

К классу вспомогательных относят такие материалы, которые не составляют материальную основу производимой продукции, а придают ей определенные свойства и качества, обеспечивают работу оборудований и нормальный ход технологического процесса. Например, красители придают тканям определенный цвет, топливо, смазочные масла обеспечивают работу оборудования, катализаторы - нормальное протекание либо ускорение технологического процесса.

Есть предметы труда, используемые в производстве в качестве полуфабрикатов. Полуфабрикат - это продукт, изготавливаемый на одном участке производства и используемый для выработки продукции на другом участке. Полуфабрикат нередко выступает в качестве готовой продукции. Так, пряжа является готовой про­дукцией прядильного производства, а на комбинате, где она перерабатывается в ткань, - полуфабрикатом.

6.1.2. Качество сырья и современные технологические процессы

Качество сырья это совокупность его технологических, физи­ческих и химических свойств, обеспечивающих высокий уровень технологического процесса и качества выпускаемой продукции.

Вид и качество сырья предопределяют режим работы и произ­водительность оборудования, характер технологии, влияют на качество и себестоимость выпускаемой продукции. Так, в метал­лургической промышленности для получения чугуна используют руды с разным содержанием железа. При высоком содержании железа в рудах снижаются затраты на подготовку руды к плавке и уменьшается расход кокса. Повышенное содержание пустой породы и вредных примесей в рудах обусловливает уменьшение производительности плавильных установок, увеличение расхода топлива, флюсов и снижение качества чугуна.

В строительстве используют обычные и быстротвердеющие цементы. Применение быстротвердеющих цементов способствует ускорению технологического процесса изготовления бетонных и железобетонных изделий и конструкций.

В текстильной промышленности для производства пряжи, тка­ней и трикотажа используют разнообразные химические волокна. Так, использование высокоусадочных и малоусадочных штапель­ных волокон связано с совершенствованием технологии получения высокообъемной пряжи и трикотажных изделий, капроновое моноволокно большой толщины применяют вместо натуральной щетины для изготовления щеточных изделий, тонкое капроновое волокно вместо хлопчатобумажных нитей в произ­водстве чулочных изделий. Выпуск химического жгутового волокна малого развеса позволил в текстильной промышленности создать однопроцессный способ получения пряжи непосредственно из жгута. Таким образом, вид и качество сырья определяют технологию, вид оборудования и качество выпускаемой продукции.

6.1.3. Рациональное и комплексное использование сырья

Опыт работы промышленных предприятий и объединений показывает, что экономика производства зависит от характера использования сырья. В отраслях промышленности имеются разнообразные методы рационального использования сырья. Наиболее важными из них являются рациональный выбор и комплексная переработка, повторное использование, высококачественная первичная обработка и обогащение, максимальное использование отходов производства.

Выбор сырья определяет тип применяемого технологического оборудования, характер технологии, длительность производственной работы предприятий. Современный уровень техники позволяет выпускать одну и ту же продукцию из сырья различных видов, так, например, в машиностроении отдельные детали мамкин изготовляют из металла, пластмасс, древесного пластика. Правильный выбор сырья характеризуется снижением себестоимости продукции и повышением ее качества. Не менее важным является рациональное использование сырья.

Комплексная переработка сырья возможна лишь при высокой организации производства. Она предполагает применение разнообразных технологических процессов, расширение номенклатуры продукции на одном предприятии. При этом снижаются транспортные расходы, себестоимость продукции, растет прибыль промышленных предприятий. Поэтому комплексное использование сырья является важной народнохозяйственной задачей.

До сравнительно недавнего времени использовался лишь один из ценных компонентов, содержащихся в сырье, а остальные шли в отходы производства. Примером комплексного использования сырья может служить схема переработки апатитонефелиновой породы. Эту породу измельчают и разделяют методом флотации на апатит и нефелин. Из апатита химическим путем получают гипс, цемент, соли фосфорной кислоты и другие ценные продукты, из нефелина - поташ, соду, ванадий, титан и др. Нефелин перерабатывают на алюминиевых заводах.

В текстильной промышленности в процессе механической переработки шерсти накапливаются отходы в виде коротких волокон (гребенного очеса). Очес и другие обраты камвольного производ­ства долгое время перевозили на суконные предприятия, где их перерабатывали. В настоящее время комплексная переработка длинных и коротких волокон шерсти, очеса, сдира крутых концов и других образцов производится на камвольно-суконных комбинатах. Организация таких комбинатов позволила сократить транс­портные расходы, рационально использовать складские и вспомогательные помещения, внедрять более прогрессивную технику и передовую (малоотходную) технологию.

Таким образом, комбинирование предприятий, комплексное использование сырья дают возможность получать большой экономический эффект.

6.1.4. Влияние качества сырья и материалов на качество продукции

Под качеством продукции понимается совокупность ее свойств, обусловливающих пригодность удовлетворять определенные потребности потребителя или общества.

Качество продукции, на стадии изготовления, определяется тремя слагаемыми, тесно взаимодействующими между собой в процессе труда: качеством труда изготовителей этой продукции; каче­ством исходного материала (сырья, полуфабрикатов, комплектую­щих изделий); качеством средств труда (машин, установок, стан­ков и другого оборудования). Таким образом, сырье и материалы являются одними из важнейших факторов, формирующих качество продукции. Так, анализ влияния различных факторов на качество шерстяных, хлопчатобумажных и льняных тканей показал, что сортность этих тканей существенно зависит от качества исходного сырья - шерсти, хлопка и льна. В данном случае степень этой зависимости больше, чем зависимость от всех других факторов, влияющих на качество ткани: совершенства машин и механизмов, ритмичности производства, трудовой и технологической дисциплины. Следует отметить, что все факторы, определяющие качество про­дукции,— тех н логические, экономические, социальные, технические действуют в неразрывной связи друг с другом в процессе производства.

Роль сырья и материалов в формировании качества продукции зависит от вида изделия. Чем проще изделие, тем очевиднее связь между качеством сырья, основных и вспомогательных материалов и качеством выпускаемой продукции. Качество материалов, являясь материальной основой свойств конечного изделия, влияет на эти свойства по-разному в зависимости от технологического процесса изготовления данного изделия. Например, при выпуске такого сложного изделия, как электронные часы, качество комплектующих изделий - корпуса, жидкокристаллического-индикатора, конденсаторов, интегральных схем, платы, элементов питания, кварцевого резонатора — зависит непосредственно от материалов. В свою очередь характеристики электронных часов (технические, экономические, эргономические, эстетические, информативные и др.) зависят от материалов, из которых изготовлены эти часы, опосредованно, но свойства этих материалов здесь имеют решающее значение.

Основные материалы, из которых непосредственно изготовлены конструкции прибора, и вспомогательные материалы, необходимые для осуществления той или иной технологической операции, оказывают наиболее значительное влияние на качество продукции в электронной, электротехнической, радиотехнической промышленности. Особенно это проявляется в полупроводниковых приборах и интегральных схемах (приборах на одном кристалле, где технологическими операциями на основе достижений многих отраслей науки и техники сформированы десятки и даже сотни транзисторных структур). Выход годных изделий на каждой технологической операции зависит здесь не только от соблюдения технологических режимов, но в решающей степени от свойств применяемых материалов, их чистоты. Причем так называемые вспомогательные материалы (химикаты - кислоты, щелочи и их смеси; особо чистая вода; газы; абразивные материалы для шлифовки и полировки полупроводниковых пластин) имеют не меньшее значение, чем основные материалы (полупроводники, германий, кремний, селей; материалы для изготовления внутренних и внешних выводов - золото, алюминий, молибден, никель; изоляционные материалы - стекло, керамика, органические лаки; материалы защитных корпусов - медь, сталь и др.).

Влияние материалов на качество конечного изделия зависит от степени соответствия свойств материала требованиям, которые к ним предъявляются; совершенства технологического процесса изготовления данного изделия; качества конструкции изделия и других факторов.

При разработке новой техники и технологии следует полнее использовать возможности материалов с заранее заданными свойствами, прогрессивных конструкционных материалов, в том числе синтетических, композиционных, сверхчистых и других, в целях достижения высокого качества продукции.

6.2. Топливно-энергетический комплекс и его характеристика

6.2.1. Виды и основные характеристики топлива

Топливо - вещество, при сжигании которого выделяется значительное количество теплоты, используемое как источник получения тепловой энергии и как сырье в химической, металлургической и других отраслях промышленности. Топливо, содержащее органические вещества, называют углеводородным. Путем химической переработки из него получают разнообразные продукты. Различают естественные и искусственные топлива. К естественным относятся ископаемые и растительные топливные вещества, а к искусственным - продукты переработки естественных топливных веществ. Все топлива по агрегатному состоянию подразделяются на твердые (ископаемые угли, торф, древесина, сланцы), жидкие (нефть, нефтепродукты), газообразные (природный и попутный газы и др.).

Основной характеристикой топлива является его теплота сгорания, т. е, количество теплоты, выделяющейся при полном сгорании топлива. Различают теплоту сгорания удельную (МДж/кг) и объемную (МДж/м³).

В состав всех видов топлив входит горючая масса (органическая и неорганическая) и негорючая масса (зола, влага). Чем больше в органической массе содержание углерода и водорода и чем ниже содержание кислорода и азота, тем больше теплота сгорания топлива.

Одним из важнейших видов жидких топлив является нефть, которая представляет собой сложную смесь парафиновых, нафтеновых и ароматических углеводородов. Органическая часть нефти состоит на 83…87% из углерода и на 12...14 % из водорода. Удельная теплота сгорания нефти колеблется от 39,8 до 44 МДж/кг.

Природный газ содержит до 98 % метана. Его объемная теплота сгорания составляет в среднем 30...35 МДж/м3. В нефти, находящейся в недрах Земли, всегда присутствуют растворенные газы, которые при добыче выделяются из нее (попутные газы). Объемная ' теплота сгорания попутных газов примерно в 1,5 раза выше, чем природного газа, и составляет 50000...55000 кДж/м3.

Содержание углерода в твердых тошшвах (буром и каменном угле, антраците) — 70...95 %, их удельная теплота сгорания — 25,5...33,5 МДж/кг.

В нашей стране создана мощная топливно-энергетическая база. Однако быстрый рост различных отраслей народного хозяйства предъявляет все более высокие требования к развитию топливно-энергетической базы страны и предполагает экономное и рацио­нальное использование всех видов топлива при одновременном снижении затрат на их добычу.

6.2.2. Основные виды и источники энергии

Энергетический потенциал нашей планеты включает практически неистощимые в обозримом будущем источники энергии - Солнце, ветер, воды рек и морей; и невосполнимые, связанные с использованием полезных ископаемых - нефти, угля, природного газа, торфа и горючих сланцев.

Источники энергии первой группы, за исключением гидроэнергии рек, до настоящего времени играют ничтожную роль в мировом энергетическом балансе, а основное количество энергии человечество получает, реализуя химическую энергию и частично ядерную энергию различных топлив.

Все технологические процессы в промышленности связаны с энергетическими затратами или выделением энергии. Энергия необходима как для проведения самого технологического процесса, так и для транспортировки сырья и готовой продукции, вспомогательных операций (сушка, дробление, фильтрование и т. д.). Промышленные предприятия потребляют значительное количество энергии различных видов. В структуре себестоимости, например, химической продукции затраты на получение энергии оставляют около 10%, что свидетельствует о высокой энергоемкости химических производств. Энергоемкость различных производств, т, е. расход энергии на изготовление единицы продукции, различается весьма значительно. Наша страна располагает небольшими энергетическими ресурсами, которые не позволяют полностью удовлетворить потребности в них всех отраслей народного хозяйства. Поэтому мы вынуждены использовать ресурсы, закупаемые в соседних с нами странах, что приводит к увеличению себестоимости производимой отечественными предприятиями продукции.

В промышленности применяются разнообразные виды энергии: электрическая, тепловая, ядерная, химическая и энергия света. Электрическая энергия в промышленности используется для преобразования в механическую энергию, для осуществления процессов обработки материалов, дробления, измельчения, перемешивания, центрифугирования, для нагревания, электрохимических реакций и электромагнитных процессов.

Электрическую энергию производят гидроэлектростанции, тепловые и атомные электростанции. В последние годы успешно ведутся работы по непосредственному преобразованию тепловой энергии в электрическую. Всестороннее развитие технической базы всех отраслей народного хозяйства требует дальнейшего развития электроэнергетики.

Тепловые электростанции играют доминирующую роль в электроэнергетическом балансе СНГ, на их долю приходится около 80% всей производимой в электроэнергии. Проблема совершенствования тепловых электростанций, повышение коэффициента их полезного действия имеет большое народнохозяйственное значение.

В Белоруссии сосредоточено значительное количество гидроэнергетических ресурсов. Современный период развития гидроэнергетики характеризуется дальнейшим увеличением мощности строящихся ГЭС.

Потенциальная энергия мировых запасов ядерного горючего превосходит в десятки раз потенциальную энергию разведанных запасов угля, нефти и природного газа вместе взятых. В целях экономии и правильного использования природного не возобновляемого энергетического сырья необходимо интенсивно развивать атомные электростанции (АЭС), обладающие высоким коэффициентом полезного действия.

Тепловая энергия, получаемая при сжигании топлива, широко применяется для подведения многочисленных технологических процессов (нагревания, плавления, выпарки, сушки, перегонки и т.д.), а также в качестве источника теплоты для проведения эндотермических реакций. В качестве теплоносителей могут быть использованы топочные газы, водяной пар, перегретая вода, используемые при проведении эндотермических химических процессов. Например, в производстве водорода из азотно-водородной смеси теплота, выделяющаяся при конверсии метана, используется для проведения реакции конверсии оксида углерода. В производстве аммиачной селитры выделяющаяся в результате экзотермиче­ской реакции теплота используется для выпаривания реакционной массы и ее кристаллизации.

Химическая энергия используется в гальванических элементах и аккумуляторах, где она преобразуется в электрическую. Эти источники энергии характеризуются высоким коэффициентом полезного действия.

Световая энергия используется в промышленности при создании фотоэлементов, фотоэлектрических датчиков, автоматов, а также для реализации большого числа фотохимических процессов в технологии синтеза хлористого водорода, и т.д.

Эти процессы реализуются в системах управления и контроля технологических процессов. Источником световой энергии является Солнце, где про­исходят атомные реакции синтеза ядер водорода и углерода. Сначала использовалась лишь тепловая энергия солнечных лучей. В настоящее время широко известно применение солнечных батарей на космических кораблях, а используя световую энергию в южных районах страны можно добиться кипячения воды, нагревания жидкостей и даже для плавки металлов.

Энергия рек занимает значительное место в производстве электроэнергии особенно в странах, богатых гидроресурсами. Электроэнергия, вырабатываемая ГЭС, составляет 99,7 % в электроэнергетическом балансе Норвегии, во Франции и Италии — соответственно 50 и 58%.

Энергия морских приливов — разновидность энергии водного потока. Приливы - периодические колебания уровня моря, обусловленные силами притяжения Луны и Солнца в соединении с центробежными силами, развивающимися при вращении систем Земля - Луна и Земля - Солнце. Приливы обладают огромной энергией. Высота приливной волны достигает 10...20м. Мировой технический потенциал морских приливов составляет около 500млн. т. условного топлива в год. Для СНГ и в частности России представляет интерес использование этого источника энергии в районах побережья Баренцева. Белого и Охотского морей. Уже сделаны первые исследования на пути к практическому использованию этого источника энергии.

6.2.3.Электроэнергетика и охрана окружающей среды

Основными направлениями экономического и социального развития Республики Беларусь определены важнейшие пути и средства решения проблемы охраны окружающей среды. Поставлена задача совершенствования технологических процессов с целью сокращения выбросов вредных веществ в окружающую среду и улучшения очистки отходящих газов от вредных примесей, увеличения выпуска высокоэффективных газопылеулавливающих аппаратов, водоочистного оборудования, а также приборов и автоматических станций контроля за состоянием окружающей природной среды.

Электроэнергетика занимает особое место в решении этой проблемы, так как доля участия энергетических предприятий в загрязнении окружающей природной среды продуктами сгорания органического топлива, содержащего вредные примеси, а также отходами производства весьма значительна.

Оценка перспектив развития электроэнергетики показывает, что еще длительное время большая часть электростанций будет работать на органическом топливе. Тепловые электростанции в настоящее время используют около 37 % всего котельно-печного топлива в СНГ (уголь, газ, мазут, торф, сланец), с продуктами сгорания которого в окружающую среду поступают часть золы, частицы несгораемого жидкого и твердого топлива, газообразные продукты неполного сгорания топлива, оксиды серы и азота, оксид углерода и др.

Использование ядерного горючего позволяет существенно уменьшить материальный обмен с окружающей средой при производстве электроэнергии и практически исключить химическое загрязнение атмосферы.

По сравнению с электростанциями, работающими на органическом топливе, более чистыми с экологической точки зрения явля­ются установки, использующие гидроресурсы, солнечную энергию глубинное тепло Земли, энергию ветра и приливов. Однако доля их в покрытии потребности в электроэнергии пока еще невелика. Наиболее значительными из них являются ГЭС, хотя и они оказы­вают определенное влияние на природные условия и экологическое равновесие в зонах затопления земельных угодий.

Решение проблемы охраны окружающей природной среды от вредного воздействия энергоустановок требует комплексного под­хода в реализации ряда важнейших мероприятий народнохозяйст­венного и научно-технического характера. Наиболее перспективными и радикальными мерами по предотвращению выбросов за­грязняющих веществ в атмосферу и природные водоемы являются меры по повышению эффективности использования топливно-энер­гетических ресурсов, главными из которых являются:

изменение структуры производства электроэнергии за счет использования ядерного горючего, гидроресурсов, солнечной энер­гии, энергии ветра и морских приливов, глубинного тепла Земли;

освоение новых, более эффективных по использованию топлива технологических процессов (например, с парогазовыми установка­ми и внутрициадовой газификацией топлива);

снижение удельного расхода топлива при производстве электро­энергии и тепла, сокращение потерь и удельных расходов энергии при использовании ее в народном хозяйстве;

увеличение использования вторичных энергетических ресурсов и утилизация низкопотенциального тепла с помощью тепловых насосов;

оптимизация структуры топливопотребления в энергетике за счет замены высокозольного и высокосернистого топлива на ТЭС, расположенных в крупных промышленных городах и районах.

улучшение качественных характеристик тоилив путем развития индустрии их переработки и обогащения.

Наиболее острой проблемой является сокращение выбросов в атмосферу оксидов серы, объем которых пропорционален объему сжигаемого топлива и зависит от его качественных характеристик. Основные меры по сокращению выбросов в атмосферу оксидов серы принимаются в двух основных направлениях - снижения сернистости потребляемого топлива и сооружения опытно-промышленных установок по извлечению сернистого ангидрида из дымовых газов на выходе из котлоагрегатов.

Сокращение выбросов оксидов азота в атмосферу также явля­ется актуальной задачей. Образование оксидов азота в топках котлоагрегатов происходит в основном в результате окисления азота воздуха при высоких температурах, а также в результате разложения и окисления азотсодержащих соединений, входящих в состав топлива. Основными путями снижения выбросов оксидов азота являются режимно-технологические и конструктивные меро­приятия по подавлению образования этих оксидов в топках. В их числе двухступенчатое сжигание топлива, снижение избытка воз­духа в топке и уровня нагрева воздуха, впрыск распыленной воды и пара в зону горения, использование специальных конструкций горелочных устройств. Такая организация топочного процесса приводит к снижению выбросов оксидов азота при сжигании газомазутного топлива в 2...4 раза, твердого топлива на 30...40 %. Применение двухступенчатого метода сжигания сернистого мазута дает возможность одновременно с подавлением образования оксидов азота снизить коррозионную агрессивность газа более чем на 20%.

Энергетика является крупнейшим в народном хозяйстве потребителем воды для технологических нужд. Поставлена задача ликвидировать сброс в открытые водоемы стоков с содержанием загрязнений, превышающим установленное нормативами. Этого можно достигнуть двумя путями - глубокой очисткой всех стоков до предельно допустимых концентраций загрязнений или организацией систем повторного использования стоков.

6.3. Вода в промышленности

6.3.1. Основные источники и характеристики воды

Из всех природных ресурсов наибольшее значение в жизни и деятельности человека, несомненно, имеет вода. Площадь поверхности земного шара, покрытой водой, примерно в 10 раз превышает площадь суши. Распределение воды характеризуется следующими данными:

мировой океан - 97,57 %,

высокогорные ледники и полярные льды.-.2,14%,

озера и реки - 0,29%,

водяные пары в атмосфере - около 0,001%.

Кроме того, значительны объемы подземных вод и воды, связанной химически в различных минералах, составляющей около 7% массы земной коры. Для промышленных и бытовых нужд применяется только пресная вода, составляющая около 3% всех запасов воды.

В настоящее время в связи со значительным развитием про­мышленности непрерывно уменьшаются запасы чистой воды и возрастают объемы бытовых и промышленных сточных вод. Расход воды на душу населения составляет в США 500...600 л. в сутки, а в некоторых странах Европы - 300...400 л. В Белоруссии обеспеченность водой на душу населения в два раза больше ее среднего мирового уровня. Некоторое дополнение к существующим мировым запасам пресной воды можно получить за счет опреснения морских вод. Однако это не может обеспечить все потребности без привлечения обычных источников пресной воды.

Вода широко используется в промышленности. Практически нет технологических процессов, в которых не применяется вода. В ряде производств она служит сырьем и реагентом, непосредственно участвующим в основных химических реакциях (например, в произ­водстве водорода, серной и азотной кислот из соответствующих газов и воды, в производстве соды, едкого натра и калия, в различ­ных процессах гидратации и гидролиза). В некоторых случаях вода является катализатором; она употребляется как растворитель, теплоноситель или охладитель для санитарно-технических, бытовых и других нужд. В некоторых производствах вода не потребляется, а образуется вследствие основных реакций (например, надсмольная вода при коксовании углей, а также при сухой перегонке древесины, торфа и других видов топлива); вода выделяется при сжигании топлива, при окислении аммиака и других водородсодержащих веществ.

Природная вода может использоваться как источник промышленного сырья. В морской воде содержатся почти все элементы периодической системы. Например, в воде содержится 2,8 млрд. т. урана. Если извлечь из воды только 0,01 % содержащегося в ней урана, то его хватит для обеспечения энергией всего человечества в течение 100 лет.

К воде, употребляемой в технике и в быту, предъявляются определенные требования в отношении состава и свойств. Качество воды определяется ее физическими и химическими характеристи­ками, такими как жесткость, общее солесодержание, прозрачность, окисляемость и др. Для оценки пригодности воды для питьевых нужд большое значение имеет токсичность примесей, содержание в ней микробов, запах, цвет и вкус. Для промышленных вод важными показателями являются жесткость, содержание солей и растворенных газов, механических примесей и т. п.

Жесткость воды характеризуется содержанием в ней солей кальция и магния. Различают жесткость воды трех видов: временную, постоянную и общую. Временная (устранимая) жесткость обусловлена наличием в воде бикарбонатов кальция и магния. Эти соли сравнительно легко удаляются из воды при кипячении, так как при этом они переходят в нерастворимые углекислые соли и выпадают в виде плотного осадка.

Постоянная жесткость воды связана с присутствием в ней хлоридов, сульфатов, нитратов кальция и магния. Эти соли не удаляются при кипячении воды.

Общее солесодержание, или сухой остаток, - масса вещества, оставшегося после испарения воды и высушивания полученного остатка при 105...110 °С до постоянной массы.

Прозрачность воды характеризуется толщиной слоя воды, через который можно различать без или с помощью фотоэлемента определенное изображение.

Окисляемость воды определяется массой (в миллиграммах) перманганата калия, взаимодействующего с 1 л воды при кипячении.

Кислотность или щелочность воды характеризуется концентрацией водородных ионов или величиной рН. При рН = 6,5...7,5 вода считается нейтральной, при рН<6,5 воду называют кислой, при рН> 7,5 - щелочной.

Допустимое содержание примесей в воде регламентируется соответствующими ГОСТами. Степень вредности примесей опреде­ляется их химическим составом и состоянием (дисперсностью). Грубодисперсные взвеси засоряют трубопроводы и аппараты, вы­зывают образование пробок, снижение производительности аппа­ратуры и могут даже стать причиной аварий. Примеси в виде коллоидных частиц вызывают вспенивание воды и выбросы в котлах и аппаратах.

Самым общим санитарно-бактериологическим показателем качества воды является количество микроорганизмов, содержащихся в единице ее объема. Эта величина может быть определена путем высева микроорганизмов из исследуемого образца воды небольшого объема на плотную питательную среду и подсчета выросших микробных колоний после определенного срока инкубации.

6.3.2. Классификация вод

Природные воды принято делить на три вида, сильно различающихся по наличию примесей.

Атмосферная вода - вода дождевых и снеговых осад­ков - характеризуется сравнительно небольшим содержанием примесей, главным образом растворенных газов: кислорода, ди­оксида углерода, сероводорода, оксидов азота, кислородных соеди­нений серы, органических веществ, которые загрязняют атмосферу в промышленных районах. Атмосферная вода почти не содержит растворенные соли, в частности соли кальция и магния.

Поверхностные воды - речные, озерные, морские - содержат, кроме примесей, имеющихся в атмосферной воде, разнообразные вещества. Почти всегда в ней есть двууглекислые соли кальция, магния, натрия и калия, а также сернокислые и хлорные соли. При содержании солей менее 1 г на 1 кг воды она называется пресной, более 1 г - соленой.

Подземные воды - воды артезианских скважин, колодцев, ключей, гейзеров - характеризуются разнообразием состава в зависимости от содержания растворенных солей, вида и струк­туры почв и горных пород, через которые просачиваются атмосферные воды и воды поверхностных водоемов, образуя подземные водоемы. Фильтрующая способность почв и горных пород обус­овливает высокую прозрачность подземных вод и отсутствие в них примесей органического происхождения. Уникальным сырьем для химической промышленности являются минеральные воды, насыщенные различными солями. Так, подземные воды, насыщенные хлористым натрием, служат сырьем для производства соды, едкого натра и хлора. Из подземных рассолов получают также йодистые, бромистые и другие соли.

В зависимости от назначения потребляемая вода условно подразделяется на промышленную и питьевую, в каждой из них содер­жание примесей регламентируется соответствующим ГОСТом.

Питьевая вода в первую очередь освобождается от бактерий; к ней предъявляются особые требования в отношении вкуса, цвета, запаха.

Промышленные воды не должны содержать примеси больше допустимой нормы, которая устанавливается в зависимости от вида производства. Вода для прямоточных паровых котлов не должна содержать диоксид углерода и кислород, вызывающие коррозионное разрушение труб, и может содержать сухой остаток не более 0,2...0,3 мг/л. Соли в паровых котлах, отлагаясь на внутренней поверхности труб в виде накипи, вызывают снижение теплопроводности их стенок, перегрев труб и преждевременное их изнашивание. Повышенные требования в отношении чистоты предъявляются к воде в производстве полупроводников, люминофоров и некоторых других материалов.

6.3.3. Очистка и обезвреживание воды

В поступающей для потребления воде содержатся самые разнообразные примеси: грубодисперсные и коллоидные частицы - раз­личные силикаты, гидратированная кремниевая кислота; в ней также растворены газы и соли - бикарбонаты, сульфаты, хлориды, нитраты и др. Очистка воды от примесей (подготовка воды) вклю­чает следующие операции: осветление и обесцвечивание, обеззара­живание, умягчение, дегазацию и дистилляцию.

Осветление и обесцвечивание природной воды производится с целью удаления из нее механических примесей. Это достигается отстаиванием воды в бетонированных резервуарах большой вместимости (отстойниках) с последующим пропусканием через песчаные фильтры с зернистым фильтрующим слоем. Для осаждения коллоидных примесей в отстойники вводят коагулянты - сульфаты железа или алюминия. Коагулянты в воде гндролизуются с образованием аморфных осадков соответствующих гидроокисей, которые адсорбируют коллоидные примеси и увлекают их на дно резервуара. При образовании гидроксида алюминия снижается солесодержание в воде. Одновременно идет процесс адсорбции на поверхности образовавшегося аморфного осадка органических красящих веществ, в результате чего вола обесцвечивается. Образующийся при коагуляции коллоидный осадок удаляется из воды при отстаивании и фильтровании.

Обеззараживание воды - обязательный процесс очистки воды, используемой для бытовых нужд. Уничтожение болезнетворных микробов и окисление органических примесей достигается хлорированием - введением газообразного хлора, хлорной извести. Атомарный кислород обладает сильными окислительными свойствами, поэтому убивает микроорганизмы и окисляет даже органические примеси.

В последние годы обеззараживание питьевой воды производят преимущественно с помощью озона, который получают, создавая тихий электрический разряд в воздухе или в воздухе, обогащенном кислородом. Во время обработки воды озон разлагается с выделением атомарного кислорода. При обработке воды хлором вода приобретает его запах, при озонировании запах отсутствует, что является существенным достоинством метода.

Вода обеззараживается также обработкой ионами серебра и при воздействии ультрафиолетовых лучей и ультразвуковых ко­лебаний.

Устранение запаха - необходимый процесс подготовки воды для питьевых нужд. Появление запаха чаще всего связано с образованием сероводорода при окислении серосодержащих органических веществ. Источником гнилостных запахов могут служить разлагающиеся растительные остатки на дне водоемов и водохранилищ, а также массовое развитие водорослей в водоемах. Уничтожение запахов и привкусов воды достигается ее хлорированием. Для того чтобы после обработки в воде не оставался избыток хлора, ее дехлорируют. При этом избыток хлора либо химически связывается, либо удаляется при пропускании воды че­рез угольные фильтры.

Умягчение и обессоливание воды - основные процессы ее подготовки. Удаление из воды всех солей (всех катионов и анионов) называется обессоливанием, только солей кальция и магния - умягчением. Полное обессоливание воды применяется сравнительно редко (дистиллированная вода). Способы умягчения подразделяются на физические, химические и физико-химические. К физическим способам умягчения воды относятся кипячение, дистилляция и вымораживание. Дистиллированную воду, не содержащую соли, получают перегонкой на специальных дистилляционных установках.

Наиболее экономично применение комбинированных методов, обеспечивающих устранение временной и постоянной жесткости воды, удаление из нее углекислого газа, ионов железа: известково-содового метода в сочетании с фосфатным или химического метода умягчения воды с физико-химическим (например, ионообменным). Ионообменная очистка обеспечивает как умягчение, так и обессоливание воды.

Современным физико-механическим методом умягчения воды является электрохимический, в частности электрокоагуляция. Этот способ очистки воды в электролизерах с растворимыми электродами основан на электрохимическом получении гидроксида алюминия, обладающего высокой сорбционной способностью по отношению к вредным примесям. Перенос электричества при внесении электродов в воду и пропускании тока осуществляют в основном ионы, находящиеся в природной воде. К достоинствам метода электрокоагуляции относятся: высокая сорбционная способность электрохимического Аl(ОН)з, возможность механизации и автоматизации процесса, малые габариты очистных сооружений.

Дегазация воды - удаление из нее растворенных газов - производится химическим и физическим способами. При первом способе газы взаимодействуют с химическими соединениями и уда­ляются из воды. Например, диоксид углерода удаляют при пропус­кании воды через фильтр, заполненный гашеной известью, либо добавляют к воде известковое молоко. В обоих случаях образуется соль СаСОз, выпадающая в осадок. Физические способы удаления газов заключаются в аэрации или нагревании воды в вакууме.

Предприятия химической и других отраслей промышленности, как правило, имеют сложное хозяйство по обеспечению подготовки воды. При фильтровании воды ее себестоимость увеличивается в 2,5 раза по сравнению с речной осветленной водой; при частичном умягчении - в 8 раз, при обессоливанин и полном умягчении - в 10...11 раз. В результате доля затрат на водоснабжение и водоотведение в общих капиталовложениях на строительство заводов возрастает до 5...20%.

Производственные и бытовые сточные воды обычно содержат различные органические и неорганические примеси, которые при сливе в водоемы загрязняют их. Действующим в Республике Беларусь законом предусматривается строгая санитарная охрана естественных водоемов. Поэтому спуск промышленных сточных вод в водоемы производится в соответствии с санитарными правилами, которыми определено предельно допустимое содержание веществ в сточных водах.

Способы очистки и обезвреживания сточных вод подразделяются на механические, физико-химические, химические и биологические.

Механические способы очистки сточных вод от механических примесей заключаются в их отстаивании и фильтровании, в частности через полупроницаемые мембраны под давлением.

Физико-химические методы основаны на применении флотации, экстракции и адсорбции вредных примесей, отгонке их с водяным паром. Разновидностью физико-химических методов являются тер­мические, например испарение воды при нагревании и сжигании органической части сухого остатка.

Химические методы очистки сточных вод основаны на исполь­зовании окислительно-восстановительных, электрохимических про­цессов, реакций нейтрализации и перевода вредных веществ в не­активную безвредную форму.

Биологическую очистку сточных вод в настоящее время следует считать одной из наиболее надежных и эффективных. Механизм процесса биологической очистки заключается в разложении и окислении вредных примесей с помощью микроорганизмов. Среди встречающихся в почве микроорганизмов наиболее многочисленными являются грибы, водоросли и бактерии. Эти организмы «атакуют» содержащиеся в сточных водах органические вещества, которые представляют собой прекрасную питательную среду для микробов и разлагают углеводы, белки, жиры и другие соединения на дву­окись углерода, воду и минеральные соли. Различают процессы биологической очистки, протекающие в естественных и искусственно созданных условиях. Биологическая очистка в искусственно созданных условиях проводится на специальных очистных станциях.

6.3.4. Рациональное использование воды

Вода - один из основных видов естественных ресурсов, необ­ходимых для развития промышленности. Растут потребности в воде. Расход воды, например, на современных химических предприятиях составляет несколько миллионов кубических метров в сутки. Завод капронового волокна расходует столько воды, сколько потребляет ее город с населением 120 тыс. человек. Специализированный завод пластмасс, производящий мономеры, по потреблению воды эквивалентен городу с населением 400 тыс. человек, а мощный современный электрохимический комбинат по производству продуктов хлорорганического синтеза - городу с населением 800 тыс. человек. Наряду с этим химические предприятия являются источником сильно загрязненных стоков. Поэтому необходимо обеспечить снижение удельного потребления воды, организацию оборотного водоснабжения на всех крупных предприятиях, широко применять воздушное охлаждение взамен водяного, которое в производстве аммиака и серной, кислоты позволяет уменьшить расход воды в 15...20 раз.

Рациональное комплексное использование водных ресурсов в условиях ускоренного развития химической и других отраслей промышленности становится крупной технологической, технической и экономической задачей. Рациональное водопотребление должно быть обязательным в каждом технологическом процессе. Для этого необходимо выбирать такие технологические схемы и аппаратуру, которые требовали бы минимального расхода свежей воды и не загрязняли окружающую среду; разрабатывать научно обоснован­ные нормы расхода воды; расширять использование возвратных вод; повышать эффективность очистки сточных вод; совершенство­вать процессы в направлении возможно более полного использова­ния отходов производства для уменьшения потребности в очистных сооружениях. Насколько это важно, можно судить по тому, что в настоящее время затраты на строительство очистных сооружений составляют примерно 20% от сметной стоимости строительства промышленных предприятий.

ЛЕКЦИЯ 7. ОСНОВЫ ТЕХНОЛОГИИ МАШИНОСТРОИТЕЛЬНОГО ПРОИЗВОДСТВА

7.1. Роль машиностроения в современном производстве.

Машиностроение является ведущей отраслью современной промышленности. Значение машиностроительного производства определяется тем, что оно создает один из важнейших элементов производительных сил - орудия труда. Продукция машиностроения поставляется всем отраслям народного хозяйства. Поэтому их технический прогресс во многом зависит от уровня развития машиностроения.

Машиностроение в силу разнообразия орудий производства и общественного разделения труда подразделяется на отдельные отрасли. Главными отраслями машиностроения являются: станкостроение, тяжелое машиностроение, транспортное, энергетическое, сельскохозяйственное, атомное машиностроение и др.

В каждой отрасли машиностроения существуют свои специфические технологические методы и приемы, однако для машиностроения в целом характерна общность сырьевых материалов и идентичность основных технологических принципов превращения их в детали (литье, ковка, штамповка, обработка резанием и др.); а деталей в изделия (сварка, сборка и др.).

Процесс создания и производства изделий охватывает ряд взаимосвязанных этапов, начиная с разработки конструкции и технологии изготовления их деталей, механизмов и сборочных единиц и кончая собственно производством изделий, их отделкой, испытаниями и отправкой потребителю.

Важнейшая роль принадлежит технологии машиностроения, - отрасли, науки о технологических процессах изготовления отдельных деталей и о процессах их сборки в сборочные единицы, механизмы и машины. Предметом технологии машиностроения является учение об изготовлении машин заданного качества и установленной программе их выпуска и наименьших затрат материалов, минимальной себестоимости и высокой производительности труда.

Важнейшей задачей является повышение технического уровня и качества продукции машиностроения, повышение единичной производительности выпускаемой техники - для решений этой задачи необходимо широко внедрять гибкие переналаживаемые производства и системы автоматизированного проектирования, автоматические линии, машины и оборудование со встроенными средствами микропроцессорной техники, многооперационные станки с числовым программным управлением, робототехнические роторные и роторно-конвейерные комплексы; переходить на комплексную поставку технологических систем и комплектов машин. Необходимо также увеличить загрузку производственных мощностей, коэффициенты сменности работы оборудования, что позволит повысить производительность труда в машиностроении при существенном снижении себестоимости продукции.

7.2. Структура машиностроительного производства

Машиностроительное производство состоит из отдельных производственных единиц, называемых цехами, службами и хозяйствами. Цехи и заводы разделяются на основные, вспомогательные и побочные. Основные цехи работают непосредственно над созданием промышленной продукций. При технологическом принципе организации производства цехи разделяются на заготовительные, обрабатывающие и выпускающие. К заготовительным цехам относятся чугунолитейный, сталелитейный, кузнечно-прессовый и другие, к обрабатывающим - механический, термический и др. Выпускающие цехи обеспечивают сборку и выпуск готовых изделий.

Возможен также смешанный принцип организации производства, при котором в отдельных цехах производится обработка технологически однородных частей и выполнение однотипных технологических процессов и операций.

Производственные службы и хозяйства подразделяются на складские, энергетические, транспортные, санитарно-технические и общезаводские. Склады предназначены для хранения материалов, полуфабрикатов, готовых изделий, инструментов и т. д.

К энергетической службе относятся электоподстанция, котельная, компрессорные установки и т.д, Транспортная служба имеет в своем распоряжении железнодорожные пути и путевые устройства, крановые эстакады и т. д. Санитарно-техническая служба ведает отоплением, вентиляцией, водоснабжением, канализацией производственных помещений и т.д. К общезаводским службам относятся лаборатории, заводоуправление, медицинский пункт и др.

Органы управления предприятием осуществляют организацию производственного процесса и его контроль, обеспечивают разработку технической документации и технологической оснастки, бухгалтерский учет, сбыт готовой продукции и др. Машиностроительное предприятие представляет собой совокупность ряда производств, связанных единым технологическим процессом. Такая технологическая зависимость неизбежно предполагает и их экономические связи. так как результаты работы одного из участков является своего рода полуфабрикатом для другого.

7.3. Изделие и его элементы. Понятие о машине

Различают следующие виды изделий - детали; сборочные единицы, комплексы и комплекты.

Изделия в зависимости от их назначения делятся на изделия основного производства для поставки (реализации) другим предприятиям или в систему торговли, изделия вспомогательного производства (например, резцы, при­способления, штампы и т. д.) для собственных нужд предприятия.

Если предприятие изготовляет определенные изделия для поставки другим предприятиям, но из них использует в своем производственном процессе, все эти изделия для данного предприятия будут относиться к изделиям основного производства.

В зависимости от степени сложности изделия делят на две группы: неспециализированные, не имеющие составных частей (детали); специализированные, включающие две или более состав­ные части (сборочные единицы, комплексы, комплекты).

Сборочная единица — изделие, составные части которого под­лежат соединению между собой на предприятии-изготовителе посредством сборочных операций (свинчиванием, сваркой и т. д.).

Комплекс - это два или более специализированных изделия, не соединяемых между собой и предназначенных для выполнения взаимосвязанных эксплуатационных функций.

Комплект - набор не соединяемых изделий, имеющих общее эксплуатационное назначение вспомогательного характера (напри­мер, комплект запасных частей).

Любая машина представляет собой совокупность согласованных звеньев (механизмов) - осуществляющих целесообразные движения для преобразования энергии или выполнения полезной работы.

Различие между машинами обусловлено многообразием рабочих процессов, протекающих в них. Их сходство определяется наличием одинаковых механизмов.

Механизм представляет собой совокупность связанных звеньев, предназначенных для передачи и преобразования движения одного или нескольких звеньев в определенные движения других звеньев.

В зависимости от назначения машины делятся на две группы:

а) машины-двигатели, с помощью которых энергии одного вида преобразуется в энергию другого вида;

б) машины-орудия, или рабочие машины, которые, используя подведенную к ним энергию, производят определенную работу.

Современная рабочая машина состоит из трех основных механизмов: двигательного, передаточного и исполнительного.

Двигательный и передаточный механизмы обеспечивают движения, необходимые для работы исполнительного механизма: двигательный приводит машину в действие, передаточный же не только передает движение, но и регулирует его в случае необходимости.

Все рабочие машины подразделяются на четыре группы:

1) технологические, или обрабатывающие (металлорежущие станки, прессы, молоты и т. д.);

2) транспортирующие (транспортеры и др.); транспортные (автомобили, локомотивы и др.); грузоподъемные (тали, лебедки, краны и т. д.).

Полная номенклатура всех изделий отраслей машиностроения и приборостроения приведена в классификаторе про­дукции. Существуют, однако, изделия, разрабатываемые и применяемые в различных отраслях машиностроения, которые не являются специфической принадлежностью определенной отрасли машиностроения - изделия общемашиностроительного назначения. Детали и сборочные единицы общемашиностроительного назначения являются составной частью различных механизмов и машин и имеют определенное назначение.

Детали машин можно классифицировать в зависимости от их назначения

7.4. Технико-экономические показатели машин

Любая машина будет соответствовать своему назначению только в том случае, если обладает необходимым комплексом качеств. Свойство машины характеризует какую-либо одну ее сторону, выявленную во взаимоотношении с такой же стороной другой машины. Качество - это совокупность свойств, составляющих так определенную емкость машины, которая отличает ее от другой машины. Качества и свойства оцениваются научно обоснованными измерителями - показателями. К основным качествам машин относятся производительность, экономичность, проходимость и др.

Производительность машины оценивается в зависимости от количества (объема) выпускаемой продукции, соотнесенной к выполняемой полезной работе ко времени работы машины. Производительность автомобиля, например, определяется массой перевезенных грузов; или числом пассажиров, а также средней скоростью движения.

Экономичность машины характеризуется коэффициентом ее полезного действия (КПД), численностью обслуживающего персонала, топливной экономичностью двигателя и другими показателями.

В связи со стремлением обеспечить работоспособное состояние машин при наименьших запасах их прочности особое значение обретает их надежность.

Надежность - свойство машины сохранять во времени в установленных пределах работоспособность всех параметров, характеризующих ее способность выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях применения, технического обслуживания, ремонтов, хранения и транспортирования. Надежность является комплексным свойством, которое в зависимости от назначения машины и условий ее применения включает сочетания свойств: безотказность, долговечность, ремонтопригодность и сохраняемость.

Безотказность свойство машины непрерывно сохранять работоспособное состояние в течение некоторого времени или некоторой наработки.

Долговечность характеризует свойство машины сохранять работоспособное состояние до наступления предельного состояния при установленной системе технического обслуживания и ремонта.

Ремонтопригодность - свойство машины, заключающееся в ее приспособленности к предупреждению и обнаружению причин возникновения отказов, повреждений и поддержанию и восстановлению работоспособного состояния путем проведения технического обслуживания и ремонтов.

Вероятность безотказной работы машины - веро­ятность того, что в пределах заданной наработки отказ машины исключен. Средняя наработка на отказ - отношение наработки восстанавливаемой машины к матемaтическому числу ее отказов в течение этой наработки.

Важным свойством машин является их технологичность, т, е. степень соответствия конструкции машины оптимальным усло­виям ее изготовления при заданном масштабе выпуска.

Основным критерием технологичности конструкции машины является себестоимость ее изготовления. Поэтому при конструи­ровании машин должны обеспечиваться их наименьшая материало­емкость, учитываться условия и характер технологических процес­сов изготовления, серийность выпуска и другие факторы, обеспе­чивающие наибольшую экономичность изготовления машины. Себестоимость машин существенно зависит от степени стандар­тизации и унификации конструктивных элементов, высокий уровень которых является предпосылкой для применения прогрессивной технологии и высокопроизводительного оборудования при их изго­товлении. Использование унифицированных деталей и сборочных единиц обеспечивает также условия для широкого применения при проектировании машины современных методов расчета на базе ЭВМ, что позволяет повысить производительность технологических и инженерных расчетов, снизить стоимость проектирования, улуч­шить качество проектных разработок. Например, при проектиро­вании на ЭВМ станочных операций их производительность повы­шается на 20...30 %, а себестоимость обработки снижается на 10...15%.

7.5. Сущность литейного производства и его развитие. Основные и специальные виды литья, их характеристика

Литейным производством называют процессы получения фасонных изделий (отливок) путем заливки расплавленного металла в полую форму, воспроизводящую форму и размеры будущей детали. После затвердевания металла в форме получается отливка - заготовка или деталь. Отливки широко применяют в машиностро­ении, металлургии и строительстве.

Можно получать отливки различной массы (от нескольких граммов до сотен тонн), простой и сложной формы из чугуна, стали, сплавов меди и алюминия, цинка и магния и т. д Особенно эффективно применение отливок для получения фасонных изделий сложной конфигурации, которые невозможно или экономически нецеле­сообразно изготовлять другими методами обработки металлов (давлением, сваркой, резанием), а также для получения изделий из малопластичных металлов и сплавов.

При всем разнообразии приемов литья, сложившихся за длительный период развития его технологии, принципиальная схема технологического процесса литья практически не изменилась за более чём 70 веков его развития и включает четыре основных этапа: плавку металла, изготовление формы, заливку жидкого металла в форму, извлечение затвердевшей отливки из формы.

До середины двадцатого столетия литейный способ считался одним из важнейших методов получения фасонных заготовок. Однако наряду с такими достоинствами литейного производства, как относительная простота получения и низкая стоимость отливок (особенно из чугуна), возможность изготовления сложных деталей из хрупких металлов и сплавов, он имеет и ряд существенных недостатков. Это прежде всего довольно низкая производительность труда, не­однородность состава и пониженная плотность материала загото­вок, а следовательно, и их более низкие, чем заготовок, полученных обработкой давлением, прочностные характеристики.

На данном этапе развития литейного производства освоено производство автоматических линий формовки, заливки и выбивки отливок, созданы комплекты совре­менного смесеприготовительного оборудования, освоен выпуск целой гаммы машин для специальных способов литья, существенно возрос уровень механизации и автоматизации технологических процессов.

Основными технико-экономическими показателями работы литейных цехов являются: годовой выпуск отливок в тоннах; выпуск отливок на одного работающего (производственного); съем литья с 1 м² производственной площади цеха; выход годного металла (в процентах от массы металлозавалки и жидкого металла); доля брака литья (в процентах), уровень механизации; доля литья, получаемого специальными способами; себестоимость 1 т литья.

В структуре себестоимости литья основную долю составляют затраты на металл (до 80'%). Производя технико-экономический анализ литейного производства, особое внимание необходимо обращать на те стадии и элементы технологического процесса, которые непосредственно связаны с возможными потерями металла на угар, разбрызгивание, брак и т, п.

Себестоимость литья зависит от объема производства, уровня механизации и автоматизации технологических процессов.

Литье в разовые песчано-глинистые формы является наиболее распространенным и относительно простым способом получения отливок. Разовые песчано-глинистые формы могут быть приготовлены либо непосредственно в полу литейного цеха по шаблонам, либо в специальных ящиках-опоках по моделям. В почве получают отливки крупногабаритных деталей (станин, колонн и т.д., более мелкие отливки обычно получают в опочных литейных формах.

Внешнее очертание отливок соответствует углублениям формы, отверстии получают за счет стержней, вставляемых в полость формы.

Технологический процесс производства отливок в опочных фор­мах состоит из трех стадий: подготовительной, основной и заключительной

Модельная оснастка, изготовленная в модельных цехах, пред­ставляет собой приспособления, с помощью которых изготовляют формы и стержни. К оснастке относятся модели деталей, подмодельные щитки, стержневые ящики, модели элементов литниковой системы и опоки.

Модели (рисунок 7.1, а) служат для получения полости в земляной форме, которая по размерам и внешним очертаниям соответствует будущей отливке. Так как металл после затвердевания усаживается (уменьшается в объеме), размеры модели делают несколько большими.

Изготовляют модели из дерева, пластмассы или металла. Выбор материала зависит от условий производства и требований, которые предъявляют к отливке в отношении точности размеров и чистоты поверхности Для того чтобы модели легко извлекались из формы, их делают с формовочными уклонам и часто разъемными, из двух и более частей, легко скрепляемых при помощи шипов.

Рис. 7.1. Модельная оснастка:

а – модели, б – стержневые ящики, в – модели литниковой системы, г - подмодельные щитки-плиты, д – верхняя и нижняя опоки

Для получения отливок с отверстиями или углублениями на моделях в соответствующих местах предусматривают выступы - стержневые знаки, которые оставляют в форме отпечатки для уста­новки стержней. Место, занимаемое в форме стержнем, не заполняется металлом и в отливке после удаления стержня образуется отверстие или углубление. Стержни изготовляют из особой стержневой смеси, набивая ее вручную или машинным способом в стержневые ящики (рисунок 7.1, б). При этом учитывают изменение разме­ров отливки при затвердевании металла. Размеры стержней должны быть меньше отверстий на величину усадки металла. В зависимости от сложности изготовления стержневые ящики делают цельными и разъемными. При небольших партиях стержней ящики делают из дерева, в массовом производстве, особенно при повышенных требованиях к точности литья, применяют металлические ящики (чугунные или из алюминиевых сплавов). Модели литниковой системы предназначены для образован в форме каналов и полостей, служащих для подачи металла, задержки шлака и выхода воздуха из полости формы (рисунок 7.1,в) Устройство литниковой системы обеспечивает спокойное поступление металла в форму, предохраняя ее от повреждения. Подмодельные щитки-плиты (рисунок 7.1, г) служат для размещения на них моделей и установки опоки при изготовлении литейной формы вручную. Опоки (рисунок 7.1, д) - деревянные или металлические рамки, каркасы, основное назначение которых состоит в удерживании песчано-глинистой смеси, обеспечении достаточной прочности и жесткости формы при ее изготовлении, транспортировке и заливке металла.

Формовочные и стержневые смеси в основном состоят из кварцевого песка определенной зернистости и жароупорности. Формовочные и стержневые смеси должны обладать пластичностью и газопроницаемостью, а формы и стержни, изготовленные из них достаточной прочностью.

Формовка - наиболее сложная и трудоемкая операция прои водства отливок в разовых песчано-глинистых формах. Трудоемкость изготовления литейных форм составляет 40...60 % от обшей трудоемкости получения отливок. Процесс ручной формовки отличается огромной трудоемкостью. Сущность машинной формовки заключается в механизации основных операций: установки модельных плит и опок (рисунок 7.2, а), наполнения опок формовочной смесью (рисунок 7.2, б), уплотнения смеси и удаления моделей из форм(рисунок 7.2, в). Отдельные конструкции формовочных машин позволяют также механизировать некоторые вспомогательные операции: поворот опок, снятие готовых полуформ со стола машины, передачу их на сборку и т. п.

Машинная формовка не только облегчает труд рабочих-фор­мовщиков, но и дает возможность повышать производительность труда, получать более точные отливки с меньшими припусками на механическую обработку, снижать брак.

В последние годы в литейном производстве повсеместно внедря­ются специальные способы литья, имеющие ряд преимуществ по сравнению с традиционным литьем в разовые песчано-глинистые формы.

Рис. 7.2. Формовочные машины:

а – машинная установка модельных плит и опок, б - наполнение опок формовочной смесью, в – машинное уплотнение смеси

Удельный вес отливок, получаемых специальными способами литья неуклонно увеличивается.

К специальным способам относят литье:

а) в металлические формы (кокиль),

б) центробежное, в) под давлением.

г) в тонкостенные разовые формы,

д,) по выплавляемым моделям,

е) оболочковое,

ж) электрошлаковое литье.

Специальные способы литья позволяют получать отливки более точных размеров с хорошим качеством поверхности, что способ­ствует уменьшению расхода металла и трудоемкости механической обработки; повысить механические свойства отливок и уменьшить потери от брака; значительно снизить или исключить расход фор­мовочных материалов; сократить производственные площади; улуч­шить санитарно-гигиенические условия и повысить производитель­ность труда. Экономическая целесообразность замены литья в разовые песчано-глинистые формы тем или иным специальным способом зависит от масштаба производства, формы и размеров отливок, приме­няемых литейных сплавов и т. п. Она определяется на основе тщательного технико-экономического анализа всех затрат, связанных с новым технологическим процессом.

Одним из наиболее распространенных является литье в кокиль. Кокилем называют цельную или разъемную металлическую форму, изготовленную из чугуна или стали. Кокили предназначены для получения большого количества одинаковых отливок из цветных или железоуглеродистых сплавов. Стойкость кокилей зависит от материала и размеров отливки и самого кокиля, а также от соблюдения режима его эксплуатации. Перед заливкой металла кокили подогревают до температуры 100. ..300 ˚С, а рабочие поверхности, контактирующие с расплав­ленным металлом, покрывают защитными обмазками. Покрытие обеспечивает увеличение срока службы кокиля, предупреждение приваривания металла к стенкам кокиля и облегчение извлечения отливок. Подогрев предохраняет кокиль от растрескивания и облег­чает заполнение формы металлом. В процессе работы необходимая температура кокиля поддерживается за счет теплоты, выделяемой заливаемым металлом. После затвердевания отливку извлекают вытряхиванием или при помощи выталкивателя.

Кокильное литье позволяет снизить расход металла, получать отливки более высокой точности и чистоты поверхности, улучшить их физико-механические свойства. Вместе с тем этот способ литья имеет и недостатки. Быстрое охлаждение металла затрудняет получение тонкостенных отливок сложной формы, вызывает опасность появления у чугунных отливок отбеленных труднообрабатываемых поверхностей.

Литье под давлением - один из наиболее производитель­ных методов получения точных фасонных отливок из цветных металлов. Сущность способа заключается в том, что жидкий или кашицеобразный металл заполняет форму и кристаллизуется под избыточным давлением, после чего форму раскрывают и отливку удаляют.

По способу создания давления различают: литье под поршневым и газовым давлением, вакуумное всасывание, жидкую штамповку.

Наиболее распространено формообразование отливок под поршневым давлением - в машинах с горячей или холодной камерой сжатия. Литьем под давлением производят детали приборов: барабан­чики счетных машин, корпусы фотоаппаратов и корпусные детали массой до 50 кг, головки цилиндров мотоциклетных двигателей. В отливках можно получать отверстия, надписи, наружную и внутреннюю peзьбу.

На рисунке. 7.3, а показана последовательность получения отливки на поршневой машине (с холодной вертикальной камерой сжатия). Расплавленный металл подается порцией в вертикальную камеру прессования 2. При движении вниз поршень давит на металл, перемещает вниз пяту 4, в результате чего открывается питательный канал ,7 и металл поступает в полость пресс-формы 5. После заполнения пресс-формы и выдержки в течение 3...30с поршень и пята поднимаются, при этом пята отрезает литник и выталкивает пресс-остаток 6. Подвижная часть пресс-формы 8 отходит вправо и отливка 7 легко извлекается. Внутренние полости и отверстия в отливках выполняются с помощью металлических стержней.

Перед началом работы пресс-форму подогревают и смазываю В процессе работы поддерживается необходимая температура и пресс-форма периодически смазывается.

Рис. 7.3. Технологический процесс специальных способов литья:

а - последовательность получения отливки под давлением на поршневой машине, б – процесс центробежного литья

Стоимость пресс-формы в 3...5 раз превышает стоимость кокиля.

Стойкость пресс-форм в зависимости от размеров и формы отливок составляет при литье из цинковых сплавов - 300...500 тыс. отливок, из алюминиевых - 30...50 тыс., медных - 5...20 тыс. отливок.

В условиях массового производства экономически оправдан применение литья пол давлением, так как этот способ позволяет снизить трудоемкость получения отливок в 10...12 раз, а трудоемкость механической обработки — в 5...8 раз. За счет высокой точности изготовления и обеспечения повышенного качества поверхности достигается экономия до 30...50 % металла по сравнению с литьем в песчано-глинистые формы.

Цeнтробежный способ литья (рисунок 7.3 б) применяется главным образом для получения полых отливок типа тел вращения (поршневых колец, труб, гильз) из цветных и желез углеродистых сплавов, а также биметаллов. Сущность способа состоит в заливке жидкого металла во вращающуюся металлическую или керамическую форм. Жидкий металл за счет центробежных сил отбрасывается к стенкам формы, растекается вдоль них и затвердевает.

Центробежное литье высокопроизводительно (за 1 ч можно отлить 40...50 чугунных труб диаметром 200...300 мм), дает возможность получать полые отливки без применения стержней и металлические отливки последовательной заливкой двух сплавов (например, стали и бронзы).

Как и при кокильном литье, металлические формы перед заливкой жидкого металла подогреваются и на них наносятся защитные покрытия. После заливки формы иногда охлаждают водным раствором для увеличения производительности машин и предохранения их от перегрева.

Наряду с высокой производительностью и простотой процесса центробежный способ литья по сравнению с литьем в стационарные песчано-глинистые и металлические формы обеспечивает более высокое качество отливок, почти устраняет расход металла на прибыли и выпоры, увеличивает выход годного литья на 20...60 %.

К недостаткам способа следует отнести высокую стоимость форм и оборудования и ограниченность номенклатуры отливок.

Литье по выплавляемым моделям состоит в следующем. Металл заливают в разовую тонкостенную керамическую форму, изготовленную по моделям из легкоплавящегося модельного состава. Этим способом получают точные, практически не требующие механической обработки отливки из любых сплавов массой от нескольких граммов до 100 кг.

Точность размеров и чистота поверхности получаемых отливок таковы, что позволяют сократить объем механической обработки или отказаться от нее, что особенно важно при изготовлении деталей из труднообрабатываемых сплавов.

Технология производства отливок по выполняемым моделям включает следующие этапы: изготовление пресс-форм для моделей; получение восковых моделей запрессовкой модельного состава в пресс-формы; сборка блока моделей на общий питатель (в случае мелких отливок); нанесение огнеупорного покрытия на поверхность единичной модели или блока; вытапливание моделей из огнеупор­ных (керамических) оболочек-форм; прокаливание форм; заливка металла в горячие формы.

Литьем по выплавляемым моделям получают разнообразные сложные отливки для автотракторостроения, приборостроения, для изготовления деталей самолетов, лопаток турбин, режущих и изме­рительных инструментов.

Стоимость 1 т отливок, получаемых по выплавляемым моделям, выше, чем изготовляемых другими способами, и зависит от многих факторов (серийности выпуска деталей, уровня механизации и автоматизации литейных процессов и процессов механической обработки отливок).

В большинстве случаев снижение трудоемкости механической обработки, расхода металла и металлорежущего инструмента при применении точных отливок взамен поковок или отливок, получен­ных другими способами, дает значительный экономический эффект. Наибольший эффект достигается при переводе на литье по выпла­вляемым моделям деталей, в структуре себестоимости которых большую долю составляют затраты на металл и фрезерную обра­ботку, особенно при применении труднообрабатываемых конструк­ционных и инструментальных материалов.

Отливки, изготовленные в оболочковых формах, отличаются большой точностью и чистотой поверхности, что позволяет на 20...40% снизить массу отливок и на 40...60 % трудоемкость их механической обработки. По сравнению с литьем в песчано-глинистые формы трудоемкость изготовления отливок снижается в несколько раз. Этим способом получают ответственные детали машин - коленчатые и кулачковые валы, шатуны, ребристые цилиндры п т. п. Процессы изготовления оболочек легко поддаются автоматизации.

7.6. Технологическая сущность обработки металлов давлением

7.6.1. Понятие об упругой и пластической деформации металлов. Способы обработки металлов давлением

Под «обработкой металлов давлением» в технологии машиностроения понимают различные технологические процессы получения заготовок, полуфабрикатов и готовых изделий из черных и цветных металлов путем деформирования в холодном или горячем состоянии.

Деформация - изменение формы и размеров твердого тела под воздействием приложенных к нему нагрузок. Различают деформацию упругую (обратимую) и пластическую (необратимую).

Упругой деформацией называют такую, которая исчезает после снятия нагрузок, т.е. тело восстанавливает свою первоначальную форму.

Пластическая деформация остается после снятия внешней нагрузки, т.е. тело не восстанавливает первоначальную геометрическую форму и размеры. Пластическая деформация сопровождается смещением одной части кристалла относительно другой на расстояния, значительно превышающие расстояния между атомами в кристаллической решетке металлов и сплавов.

Способность металлов и сплавов к пластической деформации имеет важное практическое значение, так как все процессы обра­ботки металлов давлением основаны на пластическом деформи­ровании заготовок.

Пластичность - способность твердого тела сохранять целостность без видимых (макроскопических) нарушений в процессе деформирования. Она зависит от химического состава, строения кристаллической решетки металла, температуры, скорости деформации и ряда других факторов.

Приближенно пластичность может быть оценена относительным удлинением и относительным сужением образцов при испытании на растяжение. При пластической деформации изменяется не только форма, но и существенно изменяются свойства деформируемого металла. В реальном поликристаллическом металле происходит изменение формы зерен (кристаллитов), дробление отдельных зерен, а также их механических магнитных и электрических свойств В общем случае анизотропия свойств металла отрицательно сказывается при последующей его обработке и эксплуатации изделий. Общее изменение механических и физико-химических свойств металла при пластической деформации принято называть упрочнением наклепом - явление упрочнения проявляется в том, что по мере перемещения инструмента относительно деформируемой заготовки и увеличения степени деформации сопротивление металла деформированию повышается. При упрочнении снижается пластичность, ударная вязкость, увеличивается предел текучести и твердость, что может вовлечь за собой развитие микро- и макротрещин в деформируемом металле.

Степень упрочнения металла зависит от многих факторов, важ­нейшие из которых: исходные свойства металла, температура, степень и скорость деформации. Чем выше степень деформации и ниже температура процесса, тем больше упрочнение.

Степень деформации (важнейший фактор, определяю­щий производительность процессов обработки металлов давлением) - абсолютное или относительное изменение размеров заготовки при деформировании. Так, при прокатке степень деформации характеризуется линейным (абсолютным) обжатием, т. е. разностью высот полосы до и после обжатия. Относительное обжатие - отношение абсолютного обжатия к первоначальной высоте полосы, выраженное в процентах.

Для восстановления пластичности холоднодеформированного упрочненного металла его подвергают рекристаллизационному отжигу, Процесс рекристаллизации протекает с определенной ско­ростью, зависящей от температуры и степени предшествующей деформации: чем выше температура и степень деформации, тем больше скорость рекристаллизации. Для каждого металла экспе­риментально устанавливается связь между размером зерна, сте­пенью деформаций и температурой рекристаллизации в виде диаграмм, которые используются также при назначении термомеханических режимов горячей обработки давлением.

Горячая обработка металлов давлением обычно производится при температурах, значительно превышающих температуру их рекристаллизации, когда скорость процесса разупрочнения, вызван­ного рекристаллизацией, обычно превышает скорость процесса упрочнения. Зерна в металле получаются тем мельче, чем больше степень деформации.

Перед горячей обработкой давлением (прокаткой, ковкой, штам­повкой) металлы и сплавы нагревают до определенной темпера­туры (начала горячей обработки давлением) для повышения их пластичности и уменьшения сопротивления деформированию. Одна­ко в процессе обработки температура металла понижается. Мини­мальная температура, при которой можно производить обработку, называется температурой окончания обработки давлением. Область температур между началом и окончанием обработки, в которой металл или сплав обладает наилучшей пластичностью, наименьшей склонностью к росту зерна и минимальным сопротивлением дефор­мированию, называют температурным интервалом горячей обра­ботки давлением.

Оптимальный режим нагрева металла характеризуется быстрым равномерным его прогревом до температуры, обеспечивающей высо­кую пластичность металла, с наименьшими затратами энергия и потерями на окалину. При неправильно назначенном режиме нагрева (по температуре, времени выдержки, скорости нагрева) имеют место большие потери металла на окалину (до 4...5 %), обезуглероживание поверхностных слоев, перегрев, ведущий к обра­зованию крупнозернистой структуры, а также неисправимый брак — пережог и горячие трещины в заготовках. При пережоге про­исходит окисление металла на границах зерен, металл становится хрупким и при ударе разрушается. Горячие трещины образуются, когда скорость нагрева слишком велика и создается большой пере­пад температур поверхности и сердцевины заготовки.

При недостаточном нагреве повышается сопротивление металла деформации, ухудшается его обрабатываемость давлением, а иногда этот процесс становится невозможным вследствие повышения хруп­кости металла. Для стали наиболее опасным с точки зрения повы­шения хрупкости (синеломкости) является интервал температур 300...500 °С. Правильный выбор температуры начала и конца горя­чей обработки давлением имеет исключительно важное технико-экономическое значение.

Нагрев заготовок перед обработкой давлением может осуще­ствляться в различных печах и нагревательных устройствах. Нагревательные печи делятся на пламенные, в которых теплота образуется при сжигании топлива (твердого, жидкого или газообразного), и электрические. Выбор способа нагрева заготовок определяется технико-экономическими соображениями.

Нагрев крупных заготовок чаще всего осуществляется в пламенных печах. Средние и мелкие заготовки можно нагревать как в пламенных, так и в электрических печах и устройствах.

К основным способам обработки металлов давлением относятся процессы прокатки (рисунок 7.4, а), волочения (рисунок 7.4, б), прессования (рисунок 7.4, в), свободной ковки (рисунок 7.4, г), горячей и холодной объемной штамповки (рисунок 7.4, д), а также листовой или холодной штамповки (рисунок 7.4, е).

Рис. 7.4. Схемы обработки металлов давлением:

а – прокатка, б – волочение, в - прессование, г - свободная ковка, д - горячая и холодная объемная штамповка, е - листовая или холодная штамповка

Большинство процессов обработки давлением отличаются высокой производительностью при небольших отходах металлов, сопутствующих улучшению механических свойств.

Высокая производительность процессов обработки металлов давлением обеспечивается за счет одновременного или последовательного деформирования всего или значительной части объема обрабатываемого металла при высоких скоростях машин-орудий и простоте рабочих и вспомогательных движений.

Сущность процесса прокатки, (рисунок 7.4, а) заключается в деформировании (обжатии) металла между вращающимися валками, зазор между которыми меньше толщины обжимаемой заготовки. В результате обжатия толщина заготовки уменьшается, а длина и ширина уве­личиваются (см. рисунок. 7.4, а). Обычно относительное обжатие заготовки за один проход не превышает даже для горячего металла 70...80 %, поэтому окончательный профиль продукта получается многократным повторением процесса обработки заготовки при постепенном уменьшении зазора между валками. При каждом пропуске заготовки площадь ее поперечного сечения уменьшается, а форма и размеры постепенно приближаются к требуемым.

Современный прокатный стан, (см. рисунок 7.5) - сложное оборудование, оснащенное всевозможными механизмами и приборами, которые позволяют полностью механизировать, а в ряде случаев и автоматизировать.

Рис. 7.5. Схема устройства прокатного стана:

1 – электродвигатель, 2 - редуктор, 3 - шестеренная клеть, 4 – передаточные механизмы, 5 – рабочие валки

Рабочая машина состоит из одной или нескольких рабочих клетей, в которых расположены прокатные валки 5. Валки бывают гладкие для прокатки листов и лент и сортовые для прокатки раз­личных профилей (круглых, квадратных, угловых, рельсов и т.п.).

Для передачи движения от электродвигателя 1 к рабочим валкам 5 стана служит шестеренная клеть 3. Между шестеренной клетью и электродвигателем помещается обычно редуктор 2, служащий для изменения частоты вращения рабочих валков. К прокатному стану относятся также вспомогательные машины, выполняющие подсобные операции по резке, правке, отделке и транспортировке готовой продукции. Прокатные станы классифицируются по трем основным признакам: назначению (характеру выпускаемой продукции), числу и расположению рабочих валков и направлению их движения, числу и расположению рабочих клетей.

Технологический процесс современного прокатного производствa, независимо от вида получаемой продукции, состоит из нескольких этапов: заготовки исходного материала, нагрева его (в случае горячей прокатки), прокатки и отделки. Кроме того, на всех стадиях прокатки осуществляется контроль за ходом процесса и состоянием оборудования.

Первичными заготовками в прокатном производстве являются слитки различного сечения и массы. Перед прокаткой слитки прове­ряют для обнаружения трещин, шлаковых включений, которые уда­ляют зачисткой, заваркой. Затем слитки нагревают до температуры прокатки в нагревательных колодцах. Из слитков на обжимных ста­нах получают полуфабрикат: блюмы, слябы и заготовки круглого сечения диаметром до 200мм, которые после раскатки на требуемый размер разрезаются на заготовки определенной длины и подаются на заготовочный стан для дальнейшей обработки. Обычно обжим­ные и заготовочные станы располагаются близко друг к другу, что дает возможность вести прокатку с однократным нагревом металла. На заготовочных станах продукция первичной прокатки подвергает­ся обжатию для получения заготовки меньшего сечений и большей длину, служащей полуфабрикатом для станов окончательной про­катки (листовых, сортопрокатных и т.п.).

Перед окончательной прокаткой заготовку разрезают на мерные части, устраняют поверхностные дефекты (закаты, трещины) и вновь нагревают в методических или индукционных печах.

На станах окончательной прокатки получают либо законченные изделия (рельсы), либо изделия и материалы, нуждающиеся в последующей обработке (балки, трубы, периодический прокат, листовой и прутковый материал). Вся продукция прокатного произ­водства подвергается отделочным операциям (разрезанию, правке), удаляются поверхностные дефекты. Затем производится контроль качества и маркировка продукции. Иногда при ее окончательной отделке ведут термическую обработку (отжиг или нормализацию) и травление для обеспечения заданных механических свойств материала и качества поверхности.

7.6.2. Основные виды проката

Продукция прокатного производства называется прокатом. Он различается по размерам и форме сечения - профилю.

Из слитков массой до 25 т на обжимных прокатных станах полу­чают заготовки квадратного профиля - блюмы, используемые для изготовления сортового проката, и слябы - заготовки прямоуголь­ного профиля, из которых получают лист и полосы.

Совокупность профилей с различными формой и размерами сече­ний называется сортаментом проката: сортовой прокат, листовой прокат, трубы, периодический прокат и специальный прокат (в том числе гнутые профили).

Сортовой прокат разделяется на простой и фасонный (сложного профиля). К простому прокату относят профили с простой геометри­ческой формой сечения - круг, квадрат, шестигранник, овал и т. д. (рисунок 7.6, а).

К сортовому прокату фасонного профиля относится угловая сталь, швеллер, двутавр, тавр, рельс, зетовая, колонная и ромбовид­ная сталь (рисунок 7.6, б).

К специальным видам проката относят продукцию законченной формы, изготовленную по заказам отдельных министерств (рисунок 7.6 в). Такой продукцией могут быть накладки (24) и подкладки (25) для рельсов, обод автомобильного колеса (29), бортовое кольцо (34), башмак гусеницы трактора (31) и т.д.

Рис. 7.6. Сортамент проката:

а – простой сортовой прокат, б - фасонный сортовой прокат, в - специальные виды проката, г – прокат периодического профиля

Прокат периодического профиля (рис. 7.6, г) представляет со­бой полосу или пруток, поперечное сечение которых изменяется по длине проката, воспроизводя форму будущей детали. Этот вид про­ката может с успехом применяться в качестве фасонных заготовок в кузнечном производстве и заготовок под окончательную механи­ческую обработку. При этом значительно снижается объем работ и отходы металла в стружку.

Листовой прокат разделяют на толстолистовой, тонколистовой и фольгу. К толстолистовому прокату относится броневая, котель­ная, резервуарная сталь; к тонколистовому - кровельная, трансформаторная, электротехническая сталь, жесть и др.

В последнее время большое развитие получило производство гнутых профилей из холодно- и горячекатаных полос и лент. Гнутые профили сложной конфигурации применяются в автотракторной, авиационной промышленности и в строительстве. Они изготовляются на специальных ролико-гибочных машинах и поставляются в виде отдельных заготовок или бухт ленты определенного профиля. Сортамент гнутых профилей превышает 400 разновидностей.

7.6.3. Особенности производства листового и трубного проката

Листовой прокат по способу производства делят на горяче- и холоднокатаный. Горячекатаную толстолистовую сталь получают из слябов, про­катанных в многоклетеных листопрокатных станах. Готовый прокат проходит правку, обрезку на заданные размеры, очистку и термооб­работку. Горячекатаный тонкий лист (толщиной менее 4 мм) по­лучают из сутунки—заготовки прямоугольного сечения толщиной 6...12 мм, из слябов на станах полунепрерывной и непрерывной прокатки. Тонкая лента на выходе из последней клети стана непре­рывной прокатки скатывается в рулоны. Рулонный метод прокатки обеспечивает повышение выхода годной продукции, производитель­ности процесса и механических свойств металла. Лист в рулонах либо поступает на дальнейшую обработку в цех холодной прокатки, либо подвергается отделочным операциям.

Холодной прокаткой получают только тонкую листовую сталь и стальную ленту с высокими качеством поверхности и точностью по толщине. Прокатку ведут листовым или рулонным способом на четырехвалковых многоклетевых станах. Применение смазки валков способствует их охлаждению и получению высококачественной поверхности изделий.

Сварные трубы изготовляют из плоской заготовки - ленты (рисунок 7.7, а), получаемой из штрипсов - листов, ширина которых соответствует длине окружности трубы. Нагретый до высокой температуры (1300... 1350 °С) штрипс протягивают через воронку, в которой он сворачивается в трубу 3 и одновременно под давлением сваривается встык. После этого сварная труба поступает на стан горячей калибровки для доведения до точного диаметра. Из штрипсов изготовляют сравнительно короткие трубы диаметром до 400 мм. Трубы большого диаметра до 1500 мм с толщиной стенки до 12 мм получают из свернутой по сдирали полосы с последующей дуговой сваркой спирального шва под слоем флюса.

Бесшовные трубы изготовляют из сплошной заготовки. Технологический процесс производства бесшовных труб делится на два основных этапа: получение пустотелой гильзы из слитка или круглого проката (рисунок 7.7, б) и готовой трубы из гильзы (рис. 7.7, в).

Заготовку 1 (см. рисунок 7.7, б) перемещают между валками 2 и 4, оси которых пересекаются в пространстве. Навстречу заготовке движется оправка 5, прошивающая гильзу 3. Благодаря располо­жению валков под углом по отношению к заготовке она одновременно совершает вращательное и поступательное движения. Конус­ные валки при вращении заготовки разрыхляют ее сердцевину, а оправка образует полость, расширяет и выглаживает ее. Необходимый внутренний диаметр трубы обеспечивается оправкой, а на­ружный ее диаметр - соответствующей настройкой валков 2 переменного сечения (рисунок 7.7, в).

Рис. 7.7. Изготовление труб:

а – изготовление сварных труб, б – изготовление пустотелой гильзы при получении бесшовных труб, в – изготовление трубы из гильзы

Использование полых трубных заготовок, полученных методом непрерывного литья, позволяет устранить наиболее трудоемкую операцию - прошивку заготовки и обеспечивает экономию до 50 кг металла на 1 т труб.

После раскатки трубы обрабатываются на специальной машине для устранения овальности и разностенности и затем калибруются на окончательный размер. Отделочные операции при производстве труб могут включать отжиг для получения заданной структуры металла, правку, отрезание концов трубы, зачистку заусенцев, смазку и др.

Значительная экономия металла достигается за счет обработки проката (в частности, труб), называемой в черной металлургии четвертым переделом (термическое и термомеханическое упрочнение, дополнительное холодное деформирование, в том числе гнутие из полосы профилей, нанесение антикоррозионных и других покрытий).

7.6.4. Волочение и прессование

Волочение (см. рисунок 7.4. б), - процесс обжатия металла при протаскивании заготовки через волоку - инструмент с отверстием, сечение которого меньше исходного сечения заготовки. В результате волочения поперечное сечение заготовки уменьшается, а длина увеличивается.

Процесс волочения осуществляется в холодном состоянии и используется для получения тонкой проволоки (от 0,002 мм до 5 мм), калиброванных прутков различного профиля и тонкостенных труб, при этом получают изделия точных размеров, заданной геометрической формы, с чистой и гладкой поверхностью. Заготовками могут служить прокат (катаная проволока, прутки, трубы), а также прессованные профили (прутки, трубы). Окончательные размеры изделий обеспечиваются протягиванием (волочением заготовки) через несколько последовательно расположенных волок (фильер) - представляющих собой кольца, изготовленные из инструментальной стали, металлокерамических сплавов или технического алмаза.

Различают волочильные станы двух основных типов: с прямо-линейным движением протягиваемых изделий и с круговым. К первому типу относятся станы с механическим (цепные и реечные), гидравлическим и пневматическим приводами, для волочения прутков и труб. На станах второго типа (барабанных) осуществляется непрерывное волочение проволоки, которая наматывается на вращающийся барабан или катушку.

Технологический процесс волочения состоит из трех основных стадий: подготовки металла (очистка от окалины, смазывание, заделка концов), волочения по определенному режиму и отделки (удаление дефектов, правка, разрезание на мерные длины, марки-

Прессование (см. рисунок 7.4, в) - процесс выдавливания металла, заключенного в замкнутой полости контейнера, через отверстие матрицы, сечение которого меньше площади сечения контейнера, а форма соответствует форме готового изделия.

Процесс прессования осуществляется при температурах горячей обработки металлов давлением, т.е. при их высокой пластичности. Прессованию подвергают алюминий, медь и сплавы на их основе, цинк, олово, свинец.

Прессованием получают разнообразные профили (рисунок 7.8) из специальных сталей, титановых сплавов и других малопластичных металлов; профили сложной формы, ко­торые не могут быть получены другим способом; обычные профили небольших размеров (например, трубы из цветных металлов).

Исходной заготовкой для прессования служит либо слиток, либо прокат круглого сечения. Прессование производится, на горизонтальных или вертикальных гидравлических прессах

Процесс прессования высокопроизводителен, обеспечивает вы­сокую точность профиля получаемых изделий. Простая замена инструмента - матрицы позволяет легко переходить к изготовлению изделия другого вида.

Особые требования при прессовании предъявляются к инстру­менту (матрицам, пресс-шайбам, пуансонам), работающему в условиях высоких температур и больших нагрузок. Обычно этот инструмент изготовляют из высоколегированных сталей и сплавов, содержащих вольфрам, ванадий, молибден, хром и другие элементы.

Рис. 7.8. Профили, полученные прессованием

Метод прессования в силу сложности оборудования и высокой стоимости инструмента применяется главным образом в условиях массового производства сложных профилей.

7.6.5. Свободная ковка

Свободная ковка (см. рисунок 7.4, г), - способ горячей обработки металлов давлением, при котором заготовке придается заданная форма при ударах бойка молота или нажатии бойка пресса. Исходными заго­товками при свободной ковке могут быть слитки или прокат (круглый, квадратный, прямоугольный), получаемые изделия называют­ся поковками. В большинстве случаев поковка служит заготовкой для дальнейшей механической обработки.

Различают ручную и машинную свободную ковку. Ручная ковка для получения мелких штучных поковок производится на наковальне с помощью кувалды и различного вспомогательного инструмента и применяется при ремонтных работах.

Машинная ковка, осуществляемая на кузнечно-прессовых машинах с помощью бойков, обжимок и других инструментов, позволяет получать поковки массой до 250 т. Основным оборудованием при свободной ковке являются ковочные молоты с массой падающих частей от 0,5 до 16 т и ковочные прессы с усилием 5...150 МН. Мелкие и средние поковки (до 2 т) обычно получают на молотах, а тяжелые на прессах. Поковки, изготовляемые на прессах, отличаются большей точностью размеров и более высокими механическими свойствами. Режимы работы прессов более спокойны, чем молотов: снижается шум, вибрации и т. д. Замена молотов прессами - одно из направлений технического прогресса в кузнечном производстве.

Технологический процесс свободной ковки (см. рисунок 7.9) разрабатывают в следующей последовательности: по чертежу детали составляют чертеж поковки, выбирают последовательность и режимы кузнеч­ных операции и нагревов заготовки, необходимое оборудование и оснастку, определяют состав бригады рабочих и норм их вы­работки.

Размеры поковки должны быть больше размеров получаемой из нее детали, что предусматривают в чертеже поковки путем назначения припусков и допусков ее размеров.

Рис. 7.9. Основные формообразующие операции свободной копки

а – осадка, б – высадка, в – вытяжка, г, д – раскатка, е - гибка, ж – кручение, з – рубка, и, к – прошивка

Свободная ковка включает ряд операций по предварительной обработке заготовки, формообразованию и окончательной отделке изделия

К предварительным операциям относится разрезание проката или слитков на заготовки соответственно массе и объему будущей поковки с учетом потерь металла на угар, обсечку и т. п., а также нагрев заготовок по установленному режиму.

К основным формообразующим операциям относятся: осадка (рисунок 7.9, а), высадка (рисунок 7.9, б), вытяжка (рисунок 7.9, в), раскатка (рисунок 7.9, г, д), гибка (рисунок 7.9, е), кручение (рисунок 7.9, ж), рубка (рисунок 7.9, з). прошивка (рисунок 7.9, и, к). Выбор кузнечных формообразующих операций и их последовательность производится в зависимости от необходимой формы поковки.

Окончательными операциями являются охлаждение поковок, очистка их от окалины, термическая обработка (если необходимо).

Свободной ковкой изготовляют поковки разнообразной формы и размеров. Но точность размеров и чистота поверхности поковок невысока, что усложняет и удорожает последующую механическую обработку. Кроме того, сам процесс свободной ковки трудоемок и малопроизводителен. Несмотря на недостатки, он является пока единственным способом изготовления крупногабаритных поковок для ответственных деталей гидрогенераторов, турбин, шагающих экскаваторов, прокатного оборудования и других изделий тяжелого машиностроения, к которым предъявляются требования повышенной прочности. Основными путями повышения производительности труда при свободной ковке является механизация трудоемких работ - использование кантователей, манипуляторов и других специальных машин, многобойковых прессов с инструментом, движущимся во взаимно перпендикулярных направлениях, совершенствование методов нагрева заготовок.

6. Горячая объемная штамповка

Горячая объемная штамповка (см. рисунок 7.4, д), - способ обработки металлов давлением, при котором изделию (поковке) придается необходимая форма при помощи специального инструмента - штампа. При объемной штамповке металл деформируется одно­временно по всему объему, а течение его происходит в полости штампа, очертания и размеры которой соответствуют будущей детали Этот способ получения поковок отличается от свободной ковки более высокой производительностью, обеспечивает повышение механических свойств поковок, значительно меньший расход металла и широко применяется в крупносерийном и массовом производстве. Штамповкой можно изготовлять поковки массой от нескольких граммов до 200...350 кг, в отдельных случаях до 2 т. Наиболее экономически целесообразна штамповка поковок до 20 кг, так как при большей их массе резко возрастают расходы на изготовление и эксплуатацию штампов.

Штампы - массивные стальные формы, состоящие из двух частей, в которых имеются полости (ручьи), Верхняя часть штампа закрепляется на подвижной части кузнечной машины, нижняя на неподвижной. При смыкании обеих частей штампа образуется ручей, формы и размеры которого соответствуют изготовляемому изделию. В зависимости от степени сложности изделия используют штампы одноручьевые или многоручьевые. Штамповка поковок сложной конфигурации производится в многоручьевых штампах, ручьи которого подразделяются на заготовительные и штамповоч­ные (черные и чистовые). В заготовительных ручьях происходит предварительное, а в штамповочных окончательное формоизменение заготовки. Различают штамповку в открытых и закрытых штампах.

С целью снижения отходов металла применяется безоблойная штамповка в закрытых штампах. Ее внедрение стало возможным благодаря разработке методов получения заготовок точных массы и объема и их безокислительному нагреву. Применение проката периодического профиля в качестве заготовок для штамповки также способствует экономии металла, при этом сокращается тех­нологический процесс штамповки и упрощается конструкция штам­пов, так как отпадает необходимость в заготовительных операциях. Особенно эффективно применение указанного проката при изготов­лении таких типовых деталей, как шатуны двигателей внутреннего сгорания, всевозможные автомобильные тяги, рычаги, шарики и ролики подшипников и т. о.

Штампы изготовляют из высококачественных сталей, что сопряжено со значительными затратами как на материалы, так и на их механическую обработку, поэтому штамповка рентабельна только в условиях массового и крупносерийного производства.

Разработка технологического процесса штамповки включает конструирование штампов, а в остальном производится в такой же последовательности, как и для свободной ковки.

Горячую штамповку производят на паровоздушных фрикционных молотах, кривошипных, фрикционных и гидравлических прессах, горизонтально-ковочных машинах, ковочных вальцах и других машинах.

Штамповочное оборудование отличается от ковочного большими точностью координации движения соударяющихся частей, скоро­стями их рабочих движений и меньшей мощностью. Основными характеристиками молотов являются: масса падающих частей (общая масса штока, бабы и штампа), число ударов в минуту и коэффициент полезного действия (КПД). Штамповочные прессы характеризуют по развиваемому усилию, числу ходов ползуна в минуту и КПД.

Выбор оборудования определяется конкретными условиями про­изводства: характером исходной заготовки, габаритами и степенью сложности поковки, требуемой точностью изделия, производитель­ностью и т. п. В общем случае штамповка на прессах имеет ряд преимуществ перед штамповкой на молотах.

Прессовые поковки отличаются более высокой точностью формы и размеров, так как на прессах обеспечивается точное совмещение верхней и нижней частей штампа, а наличие выталкивателей позволяет уменьшить штамповочные уклоны. При этом нормы расхода металла снижаются на 10…20% по деталям типа тел вращения и на 2...20 % по деталям сложной конфигурации.

Прессовая штамповка легко поддается механизации и автоматизации, и оборудование для нее может быть встроено в комплекс­ную автоматическую линию. В настоящее время применяется поточ­ный метод штамповки на специализированных агрегатных линиях.

После штамповки изделий производят ряд завершающих операций: обрезку облоя, прошивку отверстий, правку, термическую обработку (отжиг или нормализацию), очистку от окалины и контроль качества поковок.

6. Листовая штамповка

Листовaя штамповка (см. рисунок 7.4, е), - процесс получения изделий или заготовок из листового материала путем деформирования его на прессах с помощью штампов. Листовой штамповкой можно получать изделия не только из металла, но и из кожи, картона, пластмасс. Ниже будет рассмотрена только листовая штамповка из металлов.

В зависимости от толщины обрабатываемого листового металла листовую штамповку делят на толстолистовую (толщина листа более 10 мм) и тонколистовую (холодную). Толстолистовую штамповку обычно осуществляют в горячем состоянии. Тонкостенные изделия разнообразной формы получают из листа, ленты или полосы в холодном состоянии.

Холодная листовая штамповка является одним из наиболее прогрессивных и экономичных методов изготовления деталей. Объем металла, перерабатываемого этим способом, больше, чем холодной объемной штамповкой. Детали, полученные листовой штамповкой, отличаются точностью размеров, взаимозаменяемостью и в большин­стве случаев не требуют дальнейшей механической обработки.

Высокая производительность процесса обеспечивается за счет большой скорости рабочего хода штамповочных прессов и приме­нения штампов, позволяющих совмещать несколько операций таким образом, что в большинстве случаев готовая деталь получается за один ход пресса. Экономичность листовой штамповки обуслов­лена как высокой ее производительностью, так и высоким коэффи­циентом использования металла, достигающим 85,..90 %. Чем выше удельная доля листа в сортаменте проката, перерабатываемого в машиностроении, тем выше общий коэффициент использования металла.

Листовой холодной штамповкой изготовляют детали обшивки вагонов и самолетов, кузова автомобилей и кабины тракторов. Особенно широко применяется листовая штамповка в электротехнической, приборостроительной промышленности, производстве бытовой техники и др.

Различают два вида операций технологического процесса листовой штамповки: разделительные и формообразующие. К разделительным операциям относятся отрезание, вырубка, пробивка, обрезка, надрезка кромки; к формообразующим - вытяжка, формовка, отбортовка, закатка и гибка.

Штампы для листовой штамповки могут быть простыми, предназначенными для выполнения одной операции (гибочные, вырубные, вытяжные), и сложными последовательного и совмещенного действия, в которых последовательно или одновременно выполня­ется несколько операций.

Для листовой штамповки применяются гидравлические и механические прессы (кривошипные, эксцентриковые, фрикционные). Работа на холодноштамповочных прессах предполагает повторяющиеся однообразные движения рабочего, что приводит к быстрому его утомлению. Механизация и автоматизация штамповочных работ позволяет повысить производительность труда и обеспечить его безопасность.

6. Прогрессивные способы штамповки

Высокоэкономичным и эффективным способом получения дета­лей из низкопластичных и труднодеформируемых металлов и спла­вов является штамповка взрывом с применением тротила, аммонала и других взрывчатых веществ. При взрыве развиваются кратковременные высокие давления, под действием которых заготовка принимает форму штампа. Штамповкой взрывом получают обычно крупногабаритные детали из толстолистовых заготовок, но из-за повышенной опасности она имеет ограниченное применение.

Более широкое распространение получила относительно безопасная электрогидравлическая штамповка. В жидкой среде создается за счёт кратковременного электрического разряда мощная ударная волна, давление которой на штамп достигает нескольких сот мегапаскалей. Изделия, получаемые в условиях всестороннего давления, отличаются высокой точностью размеров и не требуют дополнительной обработки. Установки электрогидравлической штамповки малогабаритны, легко перемещаются. Рассматриваемым методом производят легкие объемные детали для самолетов, автомобилей, тракторов, детали из листового малопластичного материала.

Для обработки сталей и сплавов с узким температурным интервалом обработки используют изотермическую штамповку. При такой обработке штамп, изготовленный из жаропрочного сплава, устанавливают в индукционный нагреватель. Штамповку производят при одинаковой и постоянной температуре заготовок и штамповых вставок. Полученные поковки обладают улучшенными структурой и свойствами. Повышение пластичности металла и снижение усилий деформирования может быть достигнуто также при вибрационных способах горячей объемной и холодной листовой штамповки.

6. Технико-экономические показатели процессов обработки металлов давлением

Оценка технико-экономической эффективности процессов обработки металлов давлением производится по следующим основным показателям: объему выпускаемой продукции (в тоннах, по номенклатуре и в стоимостных показателях) за определенный календарный период (месяц, год), съему продукции с 1 м² производственной площади, выходу годного, расходу энергии и себестоимости.

Технико-экономические показатели технологического процесса зависят от правильности его построения и степени механизации и автоматизации, соблюдения технологической дисциплины, организации производства.

Объем выпускаемой продукции можно увеличить за счет уменьшения простоя оборудования, связанного с его ремонтом, сменой рабочего инструмента (прокатных валков, штампов), за счет механизации трудоемких работ, сокращения продолжительности нагре­ва заготовок, организации непрерывных процессов обработки.

Своевременный ремонт оборудования, применение высокопрочных износостойких материалов для изготовления валков прокатных станов и штампов, применение смазочно-охлаждающих средств и безокислительных методов нагрева позволяют повысить объем выпуска изделий.

Выход годного характеризует использование металла в процессе производства и исчисляется как отношение расчетной массы готовой продукции (поковки, проката) к массе исходной заготовки. Так как в себестоимости получения проката, поковок, штамповок основную долю составляют затраты на материалы, главной задачей является уменьшение отходов металла и приближение заготовок по форме, размерам и качеству поверхности к готовым изделиям.

В прокатном производстве повышение выхода годного достигается за счет рационального раскроя слитков, использования слитков непрерывной разливки, получения прокатных профилей с минусовыми допусками.

В кузнечно-прессовом производстве увеличение выхода годного может быть достигнуто применением электронагрева, заготовок рациональной формы (проката периодического профиля), безоблойной штамповки, сочетанием ковки и штамповки со сваркой (при изготовлении крупных и сложных по форме поковок), оптимизацией раскроя листового материала с помощью математических методов и т. д.

7.7. Основы технологии обработки материалов резанием

7.7.1. Назначение и сущность технологического процесса обработки материалов резанием

Резание металлов - обработка их снятием стружки для получения изделий заданных формы, размеров и обеспечения определенного технологией качества поверхности.

На большинстве машиностроительных предприятий резание, является преобладающим способом обработки металлов: до 40...60 % деталей машин получают в результате обработки заготовок на металлорежущих станках. Совершенствование технологии резания, модернизация металлорежущего оборудования, разработка и внедрение новых методов резания металлов являются поэтому актуальными проблемами.

Истории возникновения металлообработки в России мало исследована, однако известно, что уже в X в. русские мастера пользовались достаточно сложными приспособлениями при изготовлении оружия, предметов домашнего обихода и т. п.

Относительно быстрое и последовательное развитие металлообработка в России получила в XVII—XVIII вв. в результате значительного развития производительных сил - объединения мел­ких производств, превращения их в ремесленные мастерские и далее в фабрики, оборудованные машинами.

Совершенствование конструкций станков и инструментов создало предпосылки для разработки теории резания металлов.

Основоположником отечественных исследований в области про­цессов резания металлов является И. А. Тиме, впервые сформулировавший в 1867—1880 гг. основные законы резания, сделавший важные выводы о причинах вибрации при резании и т. д.

Работы И. А. Тиме были продолжены и дополнены П. А. Афанасьевым, исследовавшим процесс стружкообразования с учетом сил трения между резцом и деталью, К. А. Зворыкиным и А. Н. Челюсткиным, которые в результате экспериментальных и теоретических изысканий получили основные расчетные зависимости, выявившие их влияние на стойкость инструмента, и др.

Теоретические разработки И. А. Тиме и его последователей получили дальнейшее развитие в трудах советских ученых: А. П. Соколовского, предложившего идею типизации технологических процессов и исследовавшего вопросы точности механической обработки, В, М. Кована по теории расчета припусков на обработку, Г. А. Шаумяна по определению характеристик и режимов резания при обработке на автоматах и автоматических линиях и др. Были созданы предпосылки для развития учения о резании металлов и превращения его в науку, для установления основных закономерностей эффективных и экономичных процессов изготовления деталей машин.

Технологический процесс механической обработки резанием - это часть производственного процесса, связанная с последовательным изменением размеров и формы заготовки до превращения ее в готовую деталь. Этот процесс состоит из ряда операций, которые могут выполняться при одной или нескольких установках детали.

Часть технологического процесса по обработке одной или нескольких деталей, выполняемого на одном рабочем месте непре­рывно до перехода к обработке следующей детали, называется операцией, а часть операции, выполняемой при одном закреплении ной детали относительно станка и режущего инструмента называется позицией. Технологическая операции механической обработки выполняется за один или несколько переходов, под которыми понимают часть операции, выполняемой на одной обрабатываемой поверхности одним и тем же режущим инструментом при данном режиме резания (например, обточка цилиндра - один переход, подрезка торца - другой и т. д.).

Различают последовательное и параллельное выполнение переходов и операций технологического процесса.

Организация работы по последовательной схеме присуща серийному производству. Параллельная схема технологического процесса обеспечивает более высокую производительность, так как обработка деталей осуществляется с одновременным выполнением ряда переходов в одной операции на многорезцовых и многошпиндельных станках, применение которых целесообразно при значи­тельных программах выпуска изделий.

Технологический процесс механической обработки зависит от ряда факторов: формы и размеров детали, требуемой точности обработки; вида заготовок и способа их получения, программы выпуска деталей, наличного парка оборудования и др. Во всех случаях следует стремиться к нахождению оптимального варианта технологического процесса, обеспечивающего наибольшую про­изводительность при наименьшей себестоимости обработки.

При механической обработке резанием вначале проводят черновую или обдирочную обработку, затем чистовую и в заключение - отделочную обработку, обеспечивающую нужную точность и сте­пень шероховатости поверхности детали.

Повышение производительности при механической обработке резанием может быть достигнуто совершенствованием конструкции типовых металлорежущих станков, режущего инструмента и при­способлений, а также технологического процесса обработки на типовых металлорежущих станках.

При совмещении операций (черновой и чистовой обработки одной поверхности) или видов обработки резанием (сверления и зенкерован ия с развертыванием, резьбонарезанием, фрезерованием и др.), выполняемых комбинированным инструментом па одной рабочей позиции станка, производительность процесса значительно выше, чем при последовательной обработке несколькими типовыми инструментами.

Совершенствование технологического процесса механической обработки на типовых металлорежущих станках может быть до­стигнуто за счет правильного выбора станка, режущего, меритель­ного инструмента и приспособлений; применения интенсивных ре­жимов резания; улучшения конструкции режущего инструмента; модернизации станков и усовершенствования приспособлений; одновременной обработки несколькими инструментами; увеличения числа одновременно обрабатываемых деталей и др.

7.7.2. Качество и точность обработки резанием в машиностроении

Механизмы современных мощных и быстроходных машин рабо­тают в сложных условиях при значительных нагрузках. Это требует улучшения комплекса качественных показателей выпускаемых изделий и прежде всего технологического процесса их производства, обеспечивающего решающее условие качества - обработку деталей машин. Улучшение качества обработанных поверхностей и точности обработки создает реальные предпосылки для повышения эксплуатационных свойств машин, увеличения скоростей и удельных нагрузок. Известно, что окончательная обработка деталей машин достигается в большинстве случаев обработкой при помощи резания, поэтому влияние инструмента и режима резания является решающим при формировании качества обработанной поверхности.

Пути достижения требуемой точности должны решаться ком­плексно с учетом всех стадий технологического процесса.

Во всех случаях при решении вопросов точности в машиностро­ении следует учитывать сроки службы машины, затраты на ее изго­товление и эксплуатацию.

В современном машиностроении для обеспечения высокого качества продукции используется взаимозаменяемость.

Взаимозаменяемость - свойство одних и тех же деталей, сборочных единиц или агрегатов машин, механизмов и других конструкций, позволяющее устанавливать или заменять их без дополнительной подгонки при сохранении всех требований, предъявляемых к работе сборочной единицы, агрегата и конструкции в целом. Взаимозаменяемость может быть обеспечена только при соответствующей точности геометрических параметров деталей.

Функциональная взаимозаменяемость предполагает, что основные эксплуатационные показатели деталей и сборочных единиц согласуются с назначением и условиями рабо­ту машин, в которые они входят.

Взаимозаменяемость может быть полной или неполной (частичной).

Полная взаимозаменяемость распространяется на все изделия, входящие в состав машины. Тот или иной уровень взаимозаменяемости определяется эксплу­атационными требованиями и условиями рационального производ­ства.

Взаимозаменяемость деталей и сборочных единиц в машино­строении имеет большое народнохозяйственное значение, что объясняется соответствием ее принципов современным условиям производства. За счет нее упрощается и ускоряется сборка изделий, облегчается автоматизация технологических процессов, внедрение в производство высокоэффективных станков и приспособлений, обеспечивается значительное снижение себестоимости и повыше­ние качества продукции- основное и необходимое условие современного массового и серийного производства.

Даже современными, достаточно совершенными методами изго­товления деталей обеспечить абсолютно точные их размеры нельзя. Основными причинами погрешностей деталей являются: неточность изготовления станков и оснастки, деформации деталей в процессе резания, неоднородность свойств обрабатываемых заготовок и ко­лебания припусков на их размеры, неточность измерений и др. С учетом этого в существующей практике машиностроения взаимо­заменяемость однотипных деталей достигается установлением допустимых отклонений (допусков) размеров деталей от номинальных. Номинальный размер служит началом отсчета отклонений и относительно него определяются предельные размеры детали.

Предельные размеры детали - это два предельных значения размера, между которыми должен находиться действительный размер годной детали. Различают наибольший и наименьший предельные размеры детали (соответственно для отверстия и вала). Разность между наибольшим и наименьшим предельными размерами называется допуском размера.

Следовательно, допуск размера определяет степень точности, с которой должна быть обработана деталь. Сравнение действительного размера с предельным дает возможность судить о годности детали.

Отклонением размера называется алгебраическая разность между размером (действительным, предельным и т. д.) и соответствующим номинальным размером. Отклонение может быть положительным (со знаком плюс), если действительный размер больше номинального, и отрицательным, если он меньше номинального. Если размер равен номинальному, его отклонение равно нулю.

Предельным отклонением называется алгебраическая разность между предельными и номинальными размерами. Различают верхнее и нижнее предельные отклонения. Верхнее предельное откло­нение — алгебраическая разность между наибольшим предельным и номинальным размерами. Нижнее предельное отклонение - алгебраическая разность между наименьшим предельным и номинальным размерами. Допуск размера также может быть определен через предельные отклонения как алгебраическая разность между верхним и нижним отклонениями.

В Республике Беларусь используется общепринятая единая система допусков и посадок (ЕСДП).

Классы (степень) точности в ЕСДП названы квалитетами. Всего предусмотрело 17 квалитетов, обозначаемых порядковым номером, возрастающим с увеличением допуска: 01; 0; 1; 2; 3-..17 (номера 01 и 0 соответствуют двум наиболее точным квалитетам). Допуск выражается определенным, постоянным для данного квалитета числом единиц допуска.

Следует отметить особенности допусков по ЕСДП. При данном квалитете и интервале номинальных размеров значение допуска постоянно для размеров любых элементов (валов, отверстий, уступов и др.) и в любых полях допусков. Начиная с 5-го квалитета, допуски при переходе к следующему, более грубому квалитету увеличиваются на 60 %. Через каждые пять квалитетов допуски увеличиваются в 10 раз.

Поле допуска образуется сочетанием основного отклонения (характеристика расположения) и квалитета (характеристика до­пуска). Соответственно условное обозначение поля допуска состоит из буквы основного отклонения и числа - номера квалитета

Машины и механизмы состоят из деталей, которые в процессе работы совершают относительные движения или находятся в относительном покое. Две детали, элементы которых входят друг в друга, образуют соединение. Такие детали называются сопрягаемыми, а поверхности соединяемых элементов сопрягаемыми поверхностями. Поверхности тех элементов деталей, которые не входят в соединение с другими деталями, называются несопрягаемыми. Соединения подразделяются в зависимости от геометрической формы сопрягаемых поверхностей. Соединение деталей, имеющих сопрягаемые цилиндрические поверхности с круглым поперечным сечением, называются гладкими цилиндрическими. Если сопрягаемыми поверхностями каждого элемента соединения являются две параллельные плоскости, соединение называется плоским.

В соединении элементов двух деталей один из них является внутренним (охватывающим), другой — наружным (охватывае­мым). В системе допусков и посадок гладких соединений любой наружный элемент условно называется валом, любой внутренний — отверстием.

Разность размеров отверстия и вала до сборки определяет характер соединения деталей, или посадку. Разность размеров отверстия и вала, если размер отверстия больше размера вала, назы­вается зазором. Он характеризует большую или меньшую свободу относительного перемещения деталей. Разность размеров вала и отверстия до сборки, если размер вала больше размера отверстия, называется натягом. Натяг характеризует степень сопротивления относительному смещению деталей в соединении.

В зависимости от относительного расположения полей допусков отверстия и вала различают посадки трех типов: с зазором, натягом и переходные.

Различные посадки могут быть осуществлены в системе отвер­стия или в системе вала. Система отверстия применяется чаще по технологическим и другим причинам. Основной из них является уменьшение потребностей производства в размерном (нерегулируемом) режущем инструменте для обработки отверстий (зенкерах, развертках, протяжках и др.) и другой аналогичной технологической оснастке.

Система вала применяется в конструкциях машин и механизмов, детали которых могут быть изготовлены из пруткового калиб­рованного материала без обработки резанием сопрягаемых поверх­ностей; при наличии длинных валов, когда на отдельных участках вала одного номинального размера необходимо поместить несколько деталей с различными посадками, и в некоторых других случаях.

Качество обработанных поверхностей в значительной степени определяет качество деталей машин и механизмов и в первую очередь долговечность, стойкость к коррозии, сопротивление уста­лости и другие их эксплуатационные свойства. От качества обработки поверхностей зависит также износостойкость деталей, их триботехнические характеристики. Необходимо отметить, что иногда неправильно отождествля­ются два понятия: качество и шероховатость поверхности.

Качество поверхности детали определяется совокупностью всех служебных ее свойств, определяемой твердостью, шероховатостью, микроструктурой и другими физико-механическими свойствами поверхностного слоя металла.

Шероховатость поверхности определяется совокупностью неровностей с относительно малыми шагами, образующих рельеф поверхности на базовой длине исследуемого участка профиля (рисунок 7.10).

Рис. 7.10. Параметра шероховатости поверхности детали

Оценка шероховатости поверхности производится по двум основным параметрам: среднему арифметическому отклонению профиля Ra и по высоте неровностей профиля по десяти точкам Rz.

Параметр Rmax — наибольшая высота профиля - расстояние между линией выступов профиля и линией впадин профиля в пределах базовой длины; S - среднее значение шага местных высту­пов профиля, a Sm - среднее значение шага неровностей профиля в пределах базовой длины. Шаговые параметры характеризуют относительное расположение неровностей - вершин выступов профиля и точек пересечения профиля со средней линией Т. Их значения указываются на чертежах деталей.

Базой для отсчета отклонений профиля является средняя линия профиля, имеющая форму номинального профиля и проведенная так, что в пределах базовой длины среднее квадратическое отклонение измеренного профили до этой линии минимально.

Нормирование параметров шероховатости должно производиться с учетом назначения и эксплуатационных свойств поверхности. Основным во всех случаях является нормирование высотных параметров. Предпочтительно, в том числе и для самых грубых поверхностей, нормировать параметр Ra, поскольку он определяется по всем точкам (или достаточно большому числу точек) профиля. Параметром Ra нормируется шероховатость образцов сравнения.

Шероховатость поверхности оценивается с помощью специальных приборов - профилометров. В производственных условиях обычно применяются стандартные наборы образцов сравнения с различной шероховатостью поверхности.

Разные виды механической обработки - точение, сверление, развертывание и другие обеспечивают различную шероховатость поверхности.

Шероховатость поверхностей обозначают на чертеже изделия соответствующим знаком с указанием ее параметров, вида обра­ботки поверхности, базовой длины и условного обозначения на­правления неровностей.

7.7.3. Способы обработки металлов резанием и элементы режима резания

B процессе обработки исходная заготовка и режущий инструмент получают рабочее движение от механизмов металлорежущих станков и перемещаются относительно друг друга. Для осуществле­ния обработки резанием необходимо сочетание двух видов движе­ния: главного движения резания и движения подачи.

Главное движение резания - прямолинейное поступательное происходящее с наибольшей скоростью V в процессе резания.

Движение подачи - прямолинейное поступательное или вращательное движение режущего инструмента или заготовки, скорость Vs которого меньше скорости главного движения резания, предназначенное для того, чтобы распространить отделение слоя материала на всю обработанную поверхность. В зависимости от направления движения подачи различают продольное, поперечное и другие движения подачи.

Наиболее распространенными способами обработки металлов резанием являются точение, сверление, фрезерование, строгание, шлифование (на рисунке 7.11 стрелками указаны направления главного движения резания и движения подачи).

Рис. 7.11. Способы обработки металлов резанием:

а – точение, б –сверление, в – фрезерование, г – строгание, д – шлифование.

При точении (рисунок 7.11, а) заготовке сообщается главное движение резания, а инструменту - движение подачи; при сверлении (рисунок 7.11, б) оба движения, как правило, сообщаются сверлу; при фрезеровании (рисунок 7.11, в) главное движение резания осуществляет фреза, а движение подачи - заготовка; при строгании на поперечно-строгальных станках (рисунок 7.11, г) главное движение резания совершает резец, движение подачи - заготовка, а на продольно-строгальных станках наоборот; при шлифовании (рисунок 7.11, д) главное движение резания осуществляет шлифовальный круг. Продольная подача при плоском шлифовании сообщается обычно заготовке, а поперечная - заготовке или шлифовальному кругу.

В общем случае процесс резания характеризуется элементами режима резания, скоростями главного движения резания и движения подачи; подачей; толщиной, шириной, а также площадью срезаемого слоя; машинным и штучным временем (см. рисунок 7.12).

Рис. 7.12. Элементы режима резания

Скорость главного движения резания - скорость рассматриваемой точки режущей кромки или заготовки в главном движении резания:

V= πDn*60/1000 (7.1)

где V — скорость главного движения резания, м/мин; D- диаметр поверхности обрабатываемой заготовки, мм; n - частота вращения заготовки, об/мин.

Скорость движения подачи - скорость рассматриваемой точки режущей кромки в движении подачи.

Подача S - отношение расстояния, пройденного рассматриваемой точкой режущей кромки или заготовки вдоль траектории этой точки в движении подачи, к соответствующему числу циклов или определенных долей цикла другого движении во время резании или к числу определенных долей цикла этого другого движения.

Под циклом движения понимают полный оборот, ход или двойной ход режущего инструмента или заготовки. Долей цикла является часть оборота, соответствующая угловому шагу зубьев режущего инструмента. Под ходом понимают движение в одну сторону при возвратно-поступательном движении. Различают подачу на оборот Sn, на зуб Sz, на ход Sx, на двойной ход Sдв.х.

Подача Sn - поступательное перемещение режущей кромки резца за один оборот заготовки.

Толщина срезаемого слоя а - длина нормали к поверхности резания, проведенной через рассматриваемую точку режущей кромки, ограниченная сечением срезаемого слоя. Ширина срезаемого слоя b—длина стороны сечения срезаемого слоя, образованной поверхностью резания. Площадь среза - это площадь сечения срезаемого слоя f=ab. Время, затрачиваемое непосредственно на процесс отделения стружки, называют основным технологическим временем. По основному технологическому времени рассчитываются нор­мы выработки на данном виде оборудования.

7.7.4. Характеристика используемого режущего инструмента и оборудования

Обработку металлов резанием производят на металлорежущих станках при помощи режущего инструмента, который подразделяется на две группы: однолезвийный (например, резцы) и многолезвийный с двумя и более режущими кромками (сверла, зенкеры, развертки и др.).

Инструменты, изготовленные из абразивных материалов (например, шлифовальные круги), обеспечивают высокую точность обработки и относятся к многолезвийным, т.е. имеющим множество острых режущих кромок.

Производительность режущего инструмента в основном зависит от материала, из которого он изготовлен, способности продолжительное время сохранять режущие свойства. Следовательно, инструментальные материалы должны иметь такие свойства, как красностойкость, теплопроводность, износостойкость, высокое сопротивление изгибу и удару, а также твердость. Для изготовления резцов и других режущих инструментов применяются углеродистые инструментальные стали, легированные инструмен­тальные стали, быстрорежущие стали, металлокерамические твердые сплавы, а также естественные и синтетические алмазы, кубический нитрид бора, эльбор и др. Последние характеризуются высоким модулем упругости, теплопроводностью (в 2,5...9 раз большей, чем твердые сплавы). Инструменты из них имеют наилучшую износостойкость. Известен случай, когда алмазный резец до полного использования затачивался 105 раз, прослужив в общей сложности 16 лет.

Область применения алмазного инструмента весьма обширна: шлифование, заточка и доводка твердосплавных режущих инстру­ентов и штампов; правка шлифовальных кругов алмазно-металлическими карандашами и алмазов в оправке; разрезание высоко­прочных материалов алмазными дисками и пилами и др.

Толщина срезаемого слоя и качество обработанной поверхности при использовании абразивного инструмента зависят, в частности, от зернистости материала инструмента, т. е. степени измельчения его зерен, а также физико-механических свойств, как самих зерен, так и цементирующей их связки,

В СНГ абразивные инструменты изготовляют с электрокорундовыми зернами, с белым электрокорундом, с карбидом кремния, а также с синтетическими алмазными зернами (СА) и кубическим нитридом бора (КНБ).

В качестве цементирующих веществ при изготовлении абразив­ных инструментов применяются неорганическая {керамическая, силикатная, магнезиальная), органическая (бакелитовая, глифталевая, вулканитовая) и различные металлические связки. Алмазный абразивный круг - это металлический (часто алюминиевый) или пластмассовый корпус с нанесенным алмазным слоем толщиной 1.5...3 мм с металлической или бакелитовой связкой и содержанием алмазных зерен обычно 50% (реже 25 и 100%). Основные характеристики абразивного инструмента указываются в марке на его поверхности. Например, ЧАЗ Э9А40СМ2К6 ПП300х20х127 35 м/с означает: ЧАЗ - завод-изготовитель; Э9А - эльбор повышенного качества, используемый в качестве абразива; 40 - номер зернистости; СМ2 - твердость инструмента; К6 - содержание эльбора 60%. Дальше обозначены форма круга (ПП - плоский прямого профиля); размеры круга в миллиметрах (наружный диаметр, толщина, диаметр посадочного отверстия) и допустимая скорость вращения.

Надежность режущего инструмента определяется его стойкостью, т. е. способностью сохранять режущую кромку достаточно острой в течение определенного времени работы. Затупление резца происходит в результате молекулярно-термических процессов и механического изнашивания его граней и режущей кромки. Скорость изнашивания режущего клина (лезвия) в значительной степени зависит от количества теплоты, выделяющейся при резании за счет работы, затрачиваемой на деформацию срезаемого слоя, трение стружки о переднюю поверхность резца и трение задней главной его поверхности о поверхность резания. В результате в резец отводится 10...40% общего количества теплоты, выделяющейся в процессе резания, и температура лезвия может достигать 800...100 °С. Это обусловливает ускорение изнашивания режущего инструмента - истирания и удаления микрочастиц с его поверх­ности и образования микросколов (выкрашивания) режущей кром­ки. Сопротивление изнашиванию - важнейшая характеристика инструмента.

Процесс изнашивания режущего инструмента протекает весьма разнообразно в зависимости от условий его работы: свойств обра­батываемого материала, геометрии и материала инструмента, ско­рости главного движения резания, толщины среза, смазочно-охлаждающей среды. Однако главным фактором, определяющим стойкость инструмента, является скорость главного движения резания, Обычно стойкость режущего инструмента характеризуется периодом стойкости, под которым понимают время резания новым или восстановленным режущим инструментом (лезвием) от начала резания до отказа.

Важнейшим фактором, обусловливающим снижение себестоимо­сти изготовления деталей, является повышение производительности металлорежущего оборудовании, т. е. обеспечение минимального машинного времени (Тк, мин) при обработке деталей.

Совершенствование режущего инструмента достигается как за счет использования новых материалов (твердых сплавов, металло-керамических) и обеспечения оптимальных его форм, так и создания комбинированного инструмента и инструмента для ступенчатой обработки. Режущие инструменты из быстрорежущей стали работают при скоростях резания в 2...4 раза больших, чем инстру­менты из углеродистой стали. При оснащении инструментов пла­стинками из твердых сплавов скорость резания может быть увели­чена еще в 3...5 раз. Износостойкость минералокерамического инструмента в 2...3 раза больше, чем инструмента из твердых сплавов. При работе инструментом со ступенчатым лезвием удельный расход мощности в 3 раза меньше, а производительность процесса в 2 раза больше, чем при обычном лезвии.

Машины, предназначенные для обработки резанием металлов, называются станками. Развитие всей машиностроительной промышленности в значительной степени зависит от уровня станкостроения.

Металлорежущие станки в зависимости от вида обработки делят на девять групп, а каждую группу на десять типов (подгрупп) в зависимости от назначения станков, их компоновки, степени автоматизации или вида применяемого инструмента. Станки подразделяются на широкоуниверсальные, универсальные (общего назначения), специализированные и специальные.

Станки токарной группы составляют до 40 % всего станочного парка механических цехов машиностроительных заводов. В эту группу входят токарно-винторезные, карусельно-токарные, токарно-револьверные, многорезцовые токарные, лобовые, токарные автоматы и полуавтоматы, сверлильно-отрезные (при вращающейся заготовке) и специальные токарные.

Основными характеристиками токарных станков являются высота центров над станиной и наибольшее расстояние между центрами, которые соответственно определяют наибольший воз­можный радиус и наибольшую длину детали, подлежащей обработке на данном станке. Эти стайки используют во всех производствах машиностроения, а также в отделениях сельхозтехники, в учебных и передвижных мастерских.

Токарно-винторезные станки - наиболее универсальные станки рассматриваемой группы. Их типоразмеры изменяются в широком диапазоне от настольных для обработки часовых деталей до тяжелых станков для обработки заготовок массой в несколько десятков тонн.

Токарно-винторезный станок (рисунок 7.13) состоит из станины 2, закрепленной на тумбах 1 и 12, коробки подач 3, коробки сменных зубчатых колес 4, панели управления 5, передней бабки 6, продольного суппорта 7, поворотного резцедержателя 8, верхнего суппорта 9, фартука 10, задней бабки 11. В тумбе 1 установлен электродвигатель головного привода станка, в тумбе 2 - бак для смазочно-охлаждаюшей жидкости и насосная станция. В передней бабке 6 находится коробка скоростей станка и шпинделя, на котором закрепляют зажимные устройства для передачи вращающего момента обрабатываемой заготовке. Панель 5 предназначена для управле­ния механизмами коробки скоростей. Продольный суппорт 7 обеспе­чивает движение продольной подачи резца, поперечная каретка, на которой смонтирован верхний суппорт 8 поперечной. В задней бабке устанавливают задний центр или инструмент для обработки отверстий (сверла, зенкеры, развертки). В фартуке 10 установлены механизмы и передачи, которые преобразуют вращательное движение ходового валика или ходового винта в поступательное движение суппортов.

Рис. 7.13. Схема токарно-винторезного станка

Токарные работы включают точение и растачивание цилиндрических, конических и фасонных поверхностей, подрезание торцевых поверхностей; отрезание; нарезание резьб; сверление; зенкерование и развертывание отверстий и др.

При выполнении отверстий на токарных станках применяют сверла, зенкеры, развертки, закрепляемые (вместо центра) в задней бабке; в этом случае продольная подача осуществляется инструмен­том, а заготовка, закрепленная в патроне, получает вращательное движение.

Сверление - широко распространенный метод получения отверстий резанием. Главное движение при сверлении - вращатель­ное, а движение подачи - поступательное. Оба движения при свер­лении отверстий на сверлильных станках сообщаются инструменту - сверлу.

Процесс сверления характеризуют следующими элементами ре­зания: скоростью резания, подачей, глубиной резания, площадью поперечного сечения среза, машинным временем.

Сверлильные и расточные станки служат для обработки отвер­стий различными способами. Основными технологическими опера­циями, связанными с обработкой отверстий, являются сверление, зенкерование, рассверливание, нарезание резьбы и др. Операции обработки отверстий представлены на рисунке 7.14.

Рис. 7.14. Схема обработки отверстий: сверление, зенкерование, развертывание, нарезание резьбы метчиком, зенкование

Все эти операции производятся на станках сверлами, зенкерами, раз­вертками, метчиками (на расточных станках применяются резцы). Основным инструментом является спиральное сверло. Однако при сверлении (даже в несколько проходов) отверстие получается небольшой точности, с шероховатой поверхностью. Поэтому предварительно просверленные отверстия обрабатывают зенкером (зенкерование) и разверткой (развертывание). Зенкерование в основном применяют для увеличения диаметра и в отдельных случаях для повышения точности отверстия и уменьшения шероховатости его поверхности.

Зенкеры имеют три-четыре режущие кромки, резание производят боковыми зубьями. При работе зенкерами обеспечивается точность обработки по 4...5 квалитетам. Для получения более точных отверстий используют развертки, имеющие значительное число режущих кромок.

При развертывании снимаются малые слои металла и обеспечивается высокая точность (1...3-й квалитеты) и шероховатость обработки отверстия.

Существуют сверлильные станки различных типов: вертикально-сверлильные, горизонтально-сверлильные, радиально-сверлильные, расточные, координатно-расточные и специальные. Станки сверлильной группы бывают одношпиндеольные и многошпиндельные. Вертикально-сверлильные станки применяют в инструментальных и ремонтных цехах, а также в условиях мелкосерийного производства при обработке отверстий в небольших деталях.

Одношпиндеольный вертикально-сверлильный станок представлен на рисунке 7.15, б.

а) б)

Рис. 7.15. Схема сверлильных станков: а - радиально- сверлильный станок, б - вертикально- сверлильный станок

Вертикально-сверлильный станок (рисунок 7.15, б) монтируют на фундаментной плите 1. Он состоит из колонны 2, стола 3, кронштейна 4, на котором установлена коробка подач 5, и коробки скоростей 6. На этих станках выполняют такие операции, как сверление, зенкерование, цекование, зенкование, нарезание резьбы и др,

В целях повышения производительности труда применяют многошпиндельные вертикально-сверлильные станки, на которых выполняют одновременно обработку нескольких отверстий.

Для обработки различных отверстий в тяжелых деталях больших размеров применяют радиально-сверлильные станки. Станок (рис. 7.15, а) монтируется на фундаментальной плите 1. Он состоит из неподвижной колонны 2 с поворотной гильзой 3, траверсы 4, механизма 5, шпиндельной головки 6, в которой расположены коробка скоростей 7 и коробка подач 8, шпинделя 9 и стола 10. Шпиндель с инструментом имеет главное вращательное движение и движение вертикальной подачи. Для обработки заготов­ку закрепляют на столе 10 или на фундаментной плите 1. В рабочее положение инструмент устанавливают поворотом траверсы вместе с гильзой и перемещением шпиндельной головки по направляющим траверсы.

Для обработки крупногабаритных заготовок с большим числом отверстий применяют сверлильные станки с ЧПУ.

Строгание выполняется при прямолинейном возвратно-посту­пательном движении резца или заготовки; это движение является главным. После каждого двойного хода заготовка или резец пере­мещаются в поперечном направлении, совершая тем самым движе­ние поперечной подачи.

Основными элементами резания при строгании являются: скорость резания, подача и глубина резания.

Скорость резания при строгании - отношение пути перемещения режущей кромки резца относительно обрабатываемой поверхности ко времени обработки, При строгании на поперечно-строгальном станке и долблении скорость резания равна средней скорости перемещения резца или долбяка.

Прямолинейное относительное перемещение обрабатываемой детали и инструмента при строгании имеет как преимущества, так и недостатки. Недостатком является то, что при работе на стро­гальных и долбежных станках резание осуществляется только во время рабочего хода. Во время обратного хода резец не снимает стружку и это приводит к значительным потерям времени. Однако он успевает несколько- остыть, и в связи с этим принудительное его охлаждение при строгальных и долбежных работах не требуется. Вследствие прерывистости работы в начале каждого рабочего хода врезание резца в обрабатываемый материал сопровождается ударом. Удары, а также значительное усилие, необходимое для снятия стружки при строгании, являются причиной того, что стро­гальные резцы делают обычно большего сечения, чем токарные, и с изогнутым стержнем. При встрече с твердыми шлаковыми включениями и при ударах резец отгибается без повреждения обработанной поверхности.

На строгальных станках обрабатывают в основном различные по расположению плоскости; горизонтальные, вертикальные, парал­лельные, перпендикулярные и наклонные; Т-образные, прямоуголь­ные и другие пазы и канавки; фасонные поверхности.

Строгание горизонтальных, вертикальных, параллельных и пер­пендикулярных плоскостей на поперечно- и продольно-строгальных станках производится с помощью проходных резцов — чистовых и черновых. Чистовые проходные резцы применяются для сравнительно точной обработки. Они бывают нормальные, предназначенные для строгания с малыми подачами, и широкие - для строгания с большими поперечными подачами, доходящими до 30 мм за один рабочий ход. Глубина резания при работе чистовых резцов состав­ляет 0,5... 1,5 мм. Черновые проходные резцы предназначаются для грубой обработки.

Строгание наклонных плоскостей выполняют на поперечно- и продольно-строгальных станках проходными резцами при уста­новке суппорта под необходимым углом, что обеспечивает его пода­чу параллельно наклонной плоскости, или для обработки узких (10...30 мм) наклонных плоскостей применяют специальные широ­кие резцы.

Для строгания прямоугольных, Т-образных пазов, канавок, выемок используются прорезные пазовые резцы. Ширина строгального пазового резца при узких пазах выбирается равной ширине паза, благодаря чему снижается время на его выполнение. Широкие и Т-образные пазы выполняют последовательно за несколько проходов. Внутренние шпоночные канавки выполняют особыми изогнутыми резцами.

Строгание фасонных поверхностей на поперечно- и продольно-строгальных станках производится фасонными резцами вогнутыми, выпуклыми и других форм - с использованием поворотных и специальных копировальных устройств.

Долбежные работы и резцы для них мало отличаются от строгальных. Резец совершает прямолинейное возвратно-поступа­тельное движение по вертикали. Долбежные резцы делятся на проходные, прорезные и для выполнения шпоночных пазов. Проходными резцами обрабатывают вертикальные и всевозможные криволинейные поверхности, прорезными - пазы, канавки, выемки, плоскости с уступами и разрезание.

Процесс резания фрезой имеет много общего с процессом реза­ния резцом. Стружкообразование в этом случае сопровождается теми же физическими явлениями: упругой и пластической дефор­мацией металла, тепловыделением, наклепом и др.

Каждый зуб фрезы, являющейся многолезвийным инструмен­том, имеет такие же режущие элементы, как и резец. Весь припуск с заготовок последовательно срезается зубьями фрезы.

По сравнению с процессом точения процесс фрезеровании имеет следующие особенности. В работе одновременно участвуют несколько лезвий, поэтому фрезерование является более производительным способом обработки, чем точение, каждый зуб фрезы работает периодически, а корпус ее большей частью имеет значительную массу, что способствует лучшему охлаждению лезвий; толщина стружки изменяется до некоторого максимума по вполне определенному закону, вследствие чего силы резания имеют переменные значения.

Фрезе сообщается вращательное (главное) движение, а обрабатываемая деталь получает поступательное движение (движение подачи). Различают два способа фрезерования: встречное — на­правления вращения и движения подачи противоположны; попут­ное — направления вращения и движения подачи совпадают) При встречном фрезеровании происходит постепенное возрастание на­грузки на зуб по мере его врезания в обрабатываемый материал, что обеспечивает более плавную работу и меньшую скорость изна­шивания зубьев, чем при попутном фрезеровании, однако чистота обрабатываемой поверхности при этом уменьшается.

Для процессов фрезерования применяют горизонтальные и вертикальные фрезерные станки.

Основными узлами вертикально-фрезерного станка (рисунок 7.16, а) являются: станина 1, коробка скоростей 2, поворотная шпиндельная головка 3, шпиндель 4, стол 5, салазки в, консоль 7, коробка подач 8. Шпиндель имеет главное вращательное движение. При обработке заготовка получает движение подачи в трех направлениях: продольном, поперечном и вертикальном.

а) б)

Рис. 7.16. Схема фрезерных станков: а - вертикально-фрезерный станок, б – горизонтально-фрезерный станок

Горизонтально-фрезерный станок (рисунок 7.16, б) состоит из станины 1, коробки скоростей 2, размещенной в станине, хобота 3 для подвески 5, стола 4, салазок 6, консоли 7, коробки подач 8, которая размещена в консоли. Для обработки заготовка (устанавливается на столе в тисках или приспособлениях) получает подачу в трех направлениях: продольном, поперечном и верти­кальном. Продольное направление заготовки осуществляется за счет перемещения стола по направляющим салазок, поперечное — перемещения салазок по направляющим консоли и вертикальное — перемещения консоли по направляющим станины. Главным движе­нием является вращение шпинделя.

Точность фрезерования зависит от многих факторов: типа станка, вида фрез, режима резания и др. Можно получить точность 3—4-го квалитетов.

Основные работы, выполняемые на фрезерных станках, - фрезерование плоскостей, пазов, сложных поверхностей, шпоночных канавок и зубьев шестерен.

Фрезерование горизонтальных плоскостей (рисунок 7.17, а) осуще­ствляется на горизонтально- и вертикально-фрезерных станках цилиндрическими 1, торцевыми 2, дисковыми 3 фрезами. Для обработки наклонных плоскостей (рисунок 7.17, б) на горизонтально-фрезерных станках используют одноугловые 4 и двуугловые 5 фрезы, а на вертикально-фрезерном станке со шпинделем, установленным под требуемым углом, - торцевые фрезы 2.

Рис. 7.17. Основные виды фрезерных работ и инструмент для фрезерования

Фрезерование сложных и фасонных поверхностей (рисунок 7.17, в) производят фасонными фрезами 6 и 7 соответствующего профиля на горизонтально-фрезерных станках. Для этих же целей исполь­зуют продольно-фрезерные станки, на которых суппорт можно устанавливать наклонно, а также специальные копировально-фрезерные станки.

Прямоугольные, Т-образные, типа ласточкина хвоста и другие пазы (рисунок 7.17, е) выполняют с помощью соответствующих фрез 2, 12 и 13 на вертикально-фрезерном станке.

Фрезерование шпоночных канавок прямоугольного сечения ве­дут на горизонтально-фрезерных станках дисковой фрезой, на вер­тикально-фрезерных — концевой 2 или специальной шпоночной фрезой 14 (рисунок 7.17, ж).

В массовом и серийном производстве фрезерование зубьев шестерен выполняют на специальных зубофрезерных станках, а в индивидуальном - на горизонтально- и вертикально-фрезерных станках. Д.ля фрезерования зубьев (рисунок 7.17, г) используют модульные дисковые 8, пальцевые 9 или червячные 10 фрезы. Каждая модульная фреза пригодна для получения зубьев только данного модуля и только в определенном интервале количества зубьев (например, от 17 до 20), поэтому фрезы обычно изготовляются комплектами. Червячная фреза имеет зубья трапецеидальной формы. Нарезание ею зубьев производится методом обкатки, при этом точность более высокая, чем при использовании для этих же целей модульных фрез. Нужный профиль получается автоматически в зависимости от обкатываемого диаметра. Червячные фрезы применяются также для резьбонарезания, фрезерования шлицев и т. д. Основное технологическое время, определяющее в значительной мере произво­дительность процесса при фрезеровании, рассчитывается по той же формуле, что и при точении.

Процесс шлифования по сравнению с рассмотренными процес­сами точения, сверления и фрезерования имеет следующие особенности:

1. Шлифовальный круг состоит из абразивных зерен (алмаз, кремнезем, корунд, карбид и др.), связанных цементирующим ве­ществом (керамическим, силикатным, вулканитовым, бакелитовым и др.) в одно целое, и является многолезвийным режущим инструментом. В работе участвует одновременно значительное количество зерен, представляющих собой многогранники неправильной формы, работающие с невыгодными углами резания.

2. В отличие от работы однолезвийным режущим инструментом, когда процессом резания можно управлять, изменяя режим резания и геометрию инструмента, при шлифовании управлять труднее.

3. Шлифование осуществляется при больших скоростях резания. Температура в рабочей зоне достигает 1500 °С. Обработка шлифованием в большинстве случаев является чистовой и отделочной операцией, обеспечивающей высокое качество обработанной поверхности и точность обработки (1—2-й квалитеты). В некоторых случаях шлифование применяют для предварительной обработки (очистки) заготовок, обдирки при снятии слоя до 6 мм.

Процесс шлифования обычно осуществляется при помощи трех движений: вращения шлифовального круга, вращения или возвратно-поступательного перемещения обрабатываемой детали и движений подачи, осуществляемого кругом или обрабатываемой деталью.

Основными элементами режима резания при шлифовании являются скорость и глубина резания, продольная подача, скорость вращения обрабатываемой детали и др.

В группу шлифовальных станков входят круглошлифовальные, внутришлифовальные, обдирочно-шлифовальные, специализированные (зубошлифовальные, беецентрово-шлифовальные, копировальные и др.), заточные станки для режущих инструментов, притирочные и полировальные.

Схема круглошлифовального станка представлена на рисунке 7.18.

Рис. 7.18. Общий вид круглошлифовального станка

По направляющим станины 1 круглошлифовального станка совершает продольное возвратно-поступательное перемещение стол 2 с передней 4 и задней 8 бабками. Причем последняя неподвижна. Стол имеет только поперечную периодическую подачу. Вращение круга 6 осуществляется электродвигателем 7 через ременную передачу. Электродвигатель 3 через коробку скоростей, расположенную в передней бабке 4, приводит во вращение повод­ковую планшайбу 5, которая обеспечивает вращение шлифуемой детали. Возвратно-поступательное движение стола 2 осуществляется гидравлическим приводом, а управление столом с помощью специальных упоров 9, устанавливаемых на различном расстоянии в зависимости от длины шлифуемой детали и воздействующих на рукоятку 10.

Шлифование наружных поверхностей цилиндрических, конических, фасонных тел вращения и их торцевых поверхностей (см. рисунок 7.19, а - в) производят на круглошлифовальных станках с использованием плоских 1, дисковых 4, тарельчатых в и чашечных 7 шлифовальных кругов. При этом широко используются два основных метода круглого шлифования: в центрах (рисунок 7.19, а) и бесцентровое(рисунок 7.19, б).

Рис. 7.19. Основные виды шлифовальной обработки

а – круглое шлифованиев центрах, б – бесцентровое шлифование, в – конусное шлифование, г – внутреннее шлифование, д – плоское шлифование

Шлифование конусов (рисунок 7.19, в) производят различными способами: путем поворота шлифовальной бабки на угол конуса, а поворотом стола на угол конуса (на рисунке не показан); поперечной подачей заправленного на конус чашечного 6 или тарельчатого 7 шлифовальных кругов; поворотом передней бабки со шлифуемой деталью 3 на угол конуса.

Шлифование внутренних поверхностей (рисунок 7.19, г) производят на внутришлифовальных станках различными способами в зависи­мости от конфигурации и массы обрабатываемой детали. Втулки, гильзы цилиндров, зубчатые колеса и другие не слишком тяжелые детали, имеющие форму тел вращения, шлифуют, закрепляя в патроне или специальном устройстве. Детали сообщается движение круговой подачи (вращение), а вращающемуся шлифовальному кругу - движения продольной и радиальной подач. Фасонные отверстия шлифуют, обеспечивая движение поперечной подачи круга 7, имеющего форму, соответствующую профилю шлифуемого изделия. Отверстия тяжелых громоздких деталей, а также деталей, имеющих несимметричную форму, шлифуют на внутришлифовальных станках планетарного типа, в которых обрабатываемая деталь неподвижна, а все необходимые движения совершает шлифоваль­ный круг.

Шлифование плоскостей производится по одной из схем, показанных на рисуноке 7.19, д периферией или торцом круга. Станки, работающие периферией круга, удобны для обработки различных деталей небольших размеров и их применяют главным образом в ин­дивидуальном и мелкосерийном производствах. Станки, работающие торцом чашечного круга 6, применяют в массовом и крупносе­рийном производствах как наиболее производительные. Заготовки из стали и чугуна закрепляются на магнитном столе. Движение про­дольной подачи осуществляет стол, а поперечной стол или шлифо­вальный круг. Детали из немагнитных материалов крепятся ори помощи зажимов, тисков, прихватов и специальных приспособлений.

7.8. Основы технологии получения неразъемных соединений на примере сварки металлов

7.8.1. Классификация способов сварки металлов

Сварка металлов - технологический процесс образования неразъемного соединения деталей машин, конструкций и сооружений путем их местного сплавления или совместного деформирования, в результате чего возникают прочные связи между атомами (молекулами) соединяемых тел.

В зависимости от формы энергии, используемой для образования сварных соединений, все виды сварки разделяют на три класса: термическая сварка, термомеханическая и механическая.

К термическому классу относится сварка, осуществляемая плавлением свариваемых изделий с использованием тепловой энергии (дуговая, плазменно-лучевая, электрошлаковая, электронно-лучевая, лазерная, индукционная, газовая, термическая и др.).

Термомеханическая сварка осуществляется с использованием тепловой энергии и давления (контактная, диффузионная, газопрессовая, термокомпрессионная, дугопрессовая, печная и др.).

При механической сварке используется механическая энергия и давление (ультразвуковая, взрывом, трением, холодная, магнитная и др.).

При использовании сварки термического класса металл на кромках соединяемых частей доводится до полного расплавления, перемешивается н после охлаждения образует сварное соединение. В этом случае создание давления в зоне сварки не требуется. Дуговая и электрошлаковая сварка является универсальной, производится на простом оборудовании.

Сварка термомеханического и механического класса предпола­гает пластическое деформирование соединяемых частей под дей­ствием давления, облегчающее взаимную диффузию атомов металла.

В зависимости от степени механизации процессов различают ручную, механизированную, автоматизированную и автоматическую сварку; по непрерывности процесса — непрерывную и прерывистую; по способу защиты металла в зоне сварки — сварку в воздухе, в вакууме, в защитном газе, под флюсом, по флюсу, в пене, с комбинированной защитой.

Выбор способа сварки зависит от многих факторов: химического состава стали и ее состояния, формы и размеров сборочной единицы, толщины свариваемых элементов, количества изделий в кон­струкции и др. Следует отметить, что свариваемость различных металлов, их способность образовывать сварные соединения, равнопрочные с основным металлом, неодинакова. Хорошо свариваются малоуглеродистые стали, хуже - с повышенным содержанием углерода (0,45% иболее) и легированные стали, очень плохо - чугун и некоторые цветные металлы и сплавы.

7.8.2. Виды сварных соединений и швов

Сварная конструкция состоит из нескольких сборочных единиц и элементов с различным относительным расположением, исходя из которого различают следующие виды сварных соединений: стыковое (рисунок 7.20, а), иахлесточное (рисунок 7.20, б), угловое (рисунок 7.20, в) и тавровое (рисунок 7.20, г) с V-образной, Х-образной, и U-образной подготовкой кромок (см. рисунок 7.20, д) или без их подготовки (в зависимости от толщины металла и способа сварки). Толщина свариваемых элементов может быть раз­личной.

Сварка деталей толщиной до 10 мм обычно производится за один проход, и полученный шов называют однослойным (рисунок 7.20, е). При большей толщине деталей шов получают в несколько проходов. Такой шов называют многослойным (рисунок 7.20, ж).

По положению в пространстве швы разделяют на горизон­тальные, нижние 1, вертикальные 2, полупотолочные и потолочные 5 (рисунок 7.20, д), Наиболее удобные для выполнения горизонталь­ные и нижние швы. Трудоемкость выполнении вертикальных и потолочных швов увеличивается соответственно на 20...25 % и 40...60%.

При сварке изделий для получения шва заданных размеров электрод подается вверх или вниз по мере плавления, переме­щается вдоль оси шва и в поперечном направлении (рисунок 7.20, ж).

Рас. 17.20. Виды сварочных соединений и швов:

А – стыковое, б – внахлест, в – угловое, г – тавровое, д - с V-образной, Х-образной, и U-образной подготовкой кромок, е – однослойный шов, ж – многослойный шов

7.8.3. Анализ различных видов сварки металлов, их технико-экономическая оценка и преимущества в сравнении с другими технологиями получения неразъемных соединений

При дуговой сварке источником теплоты является электрическая дуга, возникающая между двумя электродами. Расплавляемый металл электрода в виде капель перемешивается с расплавленным основным металлом и кристаллизуется, образуя после остывания сварочный шов.

Сварку можно производить на постоянном и переменном токе. Дуга на постоянном токе горит устойчивее, но расход электроэнергии на 1 кг наплавленного металла в 1,5...2 раза выше, а стоимость оборудования в 2...3 раза выше, оно сложнее, более громоздкое и тяжелое, чем при переменном токе. Поэтому в нашей стране дуговая электросварка на 80 % осуществляется с использованием переменного тока.

При дуговой сварке используются специальные электроды и электродная проволока. Электрод — это металлический стержень, на поверхности которого имеется специальное покрытие (обмазка).

обеспечивающее устойчивое горение дуги и защищающее рас­плавленный металл от окисления. Электроды классифицируют по назначению, механическим свойствам металла шва, составу покрытия и другим признакам.

По назначению электроды делятся на три класса:

а) для сварки элементов из углеродистых и низколегированных сталей (Э38, Э50, Э60 и Др.);

б) для сварки элементов из легированных конструк­ционных сталей повышенной и/высокой прочности (Э70, Э85, Э150 и др.);

в) для сварки элементов из легированных теплоустойчивых сталей (Э-09М, Э-05Х2М, Э-Л0Х1М1НФБ, Э-10Х5МФ и др).

В обозначении типа электрода число после буквы Э указывает предел прочности шва на разрыв (кгс/мм³), а буквенно-цифровые обозначения типов электродов при сварки легированных теплоустойчивых сталей характеризуют содержание элементов в металле шва, что соответствуют принципу маркировки легированных сталей.

Аргонодуговая сварка производится зависимой дугой, горящей между электродом и свариваемой деталью в атмосфере аргона, не участвующего в химических реакциях, а служащего лишь газовой защитой, и используется для соединений элементов из магниевых, алюминиевых сплавов, нержавеющей стали, меди и др.

Дуговое разрезание может осуществляться графитовым или угольным электродами. Первый дает лучшую чистоту реза. Для стока расплавленного металла из реза деталь наклоняется.

Разрезание металлическим электродом хотя и возможно, но менее экономично, так как для этого могут применяться только дорогостоящие электроды с толстой обмазкой, необходимой для обильного шлакообразования.

Процесс электродугового разрезания металлов малопроизводи­телен и не обеспечивает гладкой поверхности реза. Поэтому он применяется в основном для разделки лома, отделения прибылей и литников у отливок из высоколегированной стали, не поддаю­щейся газовому разрезанию.

Электроконтактная сварка (см. рисунок 7.21) - это нагрев свариваемых эле­ментов за счет теплоты, выделяющейся при прохождении тока по свариваемой детали или по контакту между ними.

После достижения нужной температуры кромок соединяемых деталей их сдавливают для получения сварного шва. Длительность сварки колеблется от сотых долей секунды до нескольких десятке секунд.

Контактная сварка относится к наиболее производительным видам сварки и легко поддается механизации и автоматизации.

Особенно широко контактную сварку применяют в автотракторной промышленности, в инструментальном производстве, строительстве и т. д.

Контактная сварка делится на стыковую, точечную и шовную. При стыковой сварке (рисунок 7.21, а) соединяемые элементы зажимают в клемм ах-электродах 2 сварочной машины и пропускают через них ток большой силы, индуктирующийся в вторичной обмотке 3 трансформатора. Стыковая сварка возможна для изделий с различной площадью сечения (до 500 см2 и более) однако форма и площадь сечения каждой пары свариваемых элементов должны быть одинаковыми.

Рис. 7.21. Электроконтактная сварка: а – стыковая, б - шовная

Шовная сварка (рисунок 7.21, в) применяется для соединения листов из низкоуглеродистой стали, хромоникелевой стали, бронзы и алюминиевых сплавов при изготовлении баков, тары, труб и сосудов, работающих под давлением, и других изделий. Подготовитенные свариваемые элементы 1 пропускаются между вращающимися роликами электродами 2 шовной машины, через которые проходит электрический ток. За счет выделяющейся в месте соприкосновения свариваемых элементов теплоты образуется шов.

Ролики электрода и электроды для точечной сварки должны иметь хорошую электропроводность и повышенную твердость при больших температурах (до 400 °С). Для их изготовления исполь­зуются специальные сплавы на основе меди (0,7 % Сг, 0,4 % Zn, остальное - Сu) или медь марки Ml. Внутри электроды делаются полыми для пропуска воды охлаждения, предупреждающего чрез­мерный их нагрев в месте контакта со свариваемой деталью.

При газовой сварке источником теплоты, необходимой для расплавления металла, является пламя, образующееся при сгорании горючего газа в струе кислорода.

Различают два вида газовой сварки: сварку плавлением и газопрессовую сварку.

При газовой сварке плавлением кромки свариваемых элементов (основной металл) и присадочный металл (сварочная проволока марок Св-0,8, Св-0,8А, Св-11ГА, Св-10Г2 и др.) расплавляются в зоне горения; после затвердения металла образуется шов.

При газопрессовой сварке соединяемые элементы нагреваются сварочным пламенем многопламенной горелки до пластического состояния и сдавливаются. Газопрессовая сварка при­меняется для соединения встык труб большого диаметра, рельсов, бурового оборудования и инструмента. Этот способ сварки весьма производителен; например, сварка стыка труб диаметром 500 мм продолжается примерно 2 мин.

В качестве горючих газов используются ацетилен, водород и др. Кислород, необходимый для сжигания газа, получают из атмосферного воздуха или воды путем электролиза, он обычно хранится и транспортируется в специальных баллонах вместимостью 40 л, которые вмещают 6 м³ кислорода, сжатого до давления 15 МПа. Ацетилен получается из карбида кальция. Растворенный ацетилен хранится в баллонах под давлением 1,5...1,6 МПа.

Посты газовой сварки (см. рисунок 7.22) бывают стационарными и передвижными Питание стационарных постов газовой сварки осуществляете обычно от ацетиленового генератора и баллонов с кислородом а передвижных — от баллонов с кислородом и ацетиленом.

Рис. 7.22. Схема передвижного поста газовой сварки

Схема передвижного поста газовой сварки с питанием от баллонов показана на рис. 17.5. Ацителен и кислород подводятся к газо­вой горелке 4 по специальным шлангам 3 из вулканизированной резины от баллонов 1 и 5, снабженных редукторами 2 и 6, и контрольно-измерительными устройствами манометрами 7 и 8. Редукторы 2 и 6 понижают и поддерживают постоянным давление газов на выходе из баллона. Кислородные редукторы 2 понижают давление с 15 до 0,3...1,5 МПа, а ацетиленовые 6 - с 16 до 0 02 0,05 МПа.

Газовые горелки предназначены для дозировки и смешивания кислорода и горючего газа с целью получения устойчивого и концен­трированного газового пламени. По принципу действия горелки разделяются на инжекторные (нагнетающие) и безинжекторные — высокого давления. Благодаря универсальности инжекторной горелки, пригодной для работы при низком и на среднем давлении горючего газа, она получила наибольшее распространение.

К новым прогрессивным способам сварки, получившим распространение в последнее время, можно отнести холодную сварку, ультразвуковую, диффузионную, электронно-лучевую, лазерную, плазменную, а так­же сварку взрывом.

Холодная сварка, обеспечивающая соединение элементов из пластичных металлов под давлением при комнатной температуре, применяется главным образом для соединения деталей малой толщины (до 1 мм) внахлестку в радиоэлектронной, машиностроитель­ной и других отраслях промышленности. Решающим условием получения качественных сварных швов является отсутствие на контактирующих поверхностях жировых и других загрязнений.

Ультразвуковая сварка давлением основывается на пластической деформации металла в приконтактной зоне за счет механических колебаний ультразвуковой частоты в зоне шва, что приводит к разрушению и удалению поверхностных пленок, созданию очень чистых поверхностей и тем самым к образованию прочного сварного соединения практически без деформации свариваемых деталей.

Ультразвуковая сварка применяется в производстве деталей и тонких металлических листов в приборостроении и радиоэлектронике, а так же для приварки отливок к несущим конструкция (например, в производстве летательных аппаратов)

Диффузионная сварка давлением в контролируемой атмосфере с точки зрения технологии отличается от выше перечисленных способов сварки в твердой фазе (холодная, ультразвуковая) тем, что скорость деформации металла при этом методе задается не оборудованием, а определяется процессом ползучести свариваемых материалов в заданных условиях. Сварка выполняется путем нагрева деталей токами высокой частоты в вакууме до температуры ниже пластического состояния материала с одновременным приложением сдавливающего усилия. Освоена диффузионная сварка многих материалов, в том числе стали с алюминием, вольфрамом, стеклом, металлокерамикой, титана с медью, платиной, меди с алюминием и др. Этот метод применяется при изготовлении электровакуумных приборов электронной технике и приборостроении, а также в производстве инструмента, деталей из биметаллических материалов и других изделий.

При электронно-лучевой сварке для нагрева и расплавления основного металла используется энергия, получаемая в результате интенсивной бомбардировки его быстро движущимися в вакууме электронами. При попадании на поверхность свариваемых деталей электроны тормозятся и происходит преобразование их кинетической энергии в тепловую.

Лазерная сварка основана на применении лазеров - оптических квантовых генераторов. При лазерной сварке нагрев и плавление металла изделия осуществляется мощным световым лучом, получаемым от специальных твердых или газовых излучателей, включающих источник питания, лампу накачки и резонатор. Для управления сформированным излучателем пучком служат специальные оптические системы. Вакуум при сварке лазером не нужен, и она может осуществляться на воздухе даже на значительном расстояний от генератора.

Плазменно-дугован сварка позволяет осуществлять процесс нагрева материалов с наибольшей интенсивностью. При сварке металл нагревается за счет теплоты, выделенной плазмой, до расплавления, а затем по мере перемещения свариваемых деталей из зоны сварки происходит кристаллизация расплавленного металла с образованием прочного сварочного шва. Для создания плазмы могут применяться различные источники теплоты, например световой луч лазера, ядерная реакция, высокочастотный разряд, электрическая дуга постоянного тока. Ионизация газа в этих случаях осуществляется при горении в нем электрической дуги - в канале между двумя неплавящимися электродами. С целью повышения ионизации газа дуга вместе с газовым потоком обжимается в канале, диаметр которого практически равен диамет­ру дуги, или магнитным полем.

Освоена плазменная сварка тонколистовых деталей из тугоплавких металлов, а также из нержавеющих и малоуглеродистых ста­лей. Можно сваривать элементы и из других металлов, а также неметаллов и сочетаний металлов с неметаллами

Машины и строительные конструкции, изготовленные сваркой, обычно имеют ряд преимуществ. Замена клепаных конструкции сварными дает экономию металла за счет более полного использования рабочих сечений и умень­шения массы соединительных элементов. При сварке конструкций из малоуглеродистых сталей суммарное уменьшение их массы составляет от 10 до 25 %. Вследствие уменьшения массы и трудоемкости изготовлении сварные конструкции дешевле, чем клепаные. Сварочное оборудование дешевле и проще, чем дыропробивные, сверлильные и клепальные гидравлические машины; оно обеспечи­вает бесшумность процесса сварки. В производстве емкостей и ряда других конструкций достигается более высокая герметичность соединений. Поэтому клепка вытеснена сваркой в транспортном машиностроении, автомобилестроении, в производстве котлов, резервуаров, строительных и других конструкций. Пo сравнению с литыми сварные конструкции имеют меньшую массу, более высокие механические свойства металла. Они эффективны при мелкосерийном производстве, а также если имеют сложную геометрическую форму.

Наплавка металлов применяется как способ восстановления изношенных деталей, а также при производстве новых биметаллических изделий.

Технико-экономические показатели различных способов сварки колеблются в широких пределах и зависят от множества факторов, элементов, толщина листов, форма соединения и положение его в пространстве, мощность сварочного тока или газовой горелки, диаметр электрода или присадочной проволоки, метод сварки, способ защиты шва, степень организации рабочего места, механизации и автоматизации процесса, тип сварочной машины и вид управления ею и т.п. Так, производительность (скорость) процесса изменяется от 1,6 м/ч при электродугоной ручной сварке до 80...200 м/ч при автоматической под слоем флюса, расход газа - от 0,8…12,5 л/мин при газовой сварке до 4...31 л/мин при газоэлектрической.

В условиях мелкосерийного производства коэффициент загруз­и сварщика на ремонтных работах составляет 0,3...0,4, а в условии массового производства увеличивается до 0,7...0,8.

Производительность процесса стыковой электроконтактной сварки при ручном управлении процессом составляет до 120 соединений в час, а при механическом - до 500; процесса точечной сварки – 250...2000 точек в час на одноточечной машине или 10 тыс. точек в час на многоточечной, скорость шовной сварки может колебаться от 0,5 до 6 м/мин.

7.9. Основы технологии сборки машин

7.9.1. Сущность процесса сборки

Любая машина состоит из отдельных частей. Простейшей из них является деталь, т. е. изделие, изготовленное из однородного по наименованию и марке материала без применения сборочных операций. Изделие, составные части которого подлежат соединению между собой на предприятии-изготовителе посредством сборочных операций, называется сборочной единицей. Таким образом, технологический процесс соединения, установки и фиксации деталей в сборочных единицах является процессом сборки готовой продукции.

Сборка является заключительной стадией всего технологического процесса изготовления сложного изделия. При разработке процессов производства изделий составляют технологические схемы сборки, определяющие базовые (с которых начинают сборку) детали, базовые сборочные единицы и последовательность сборки и комплектования деталей и сборочных единиц, имеющих для удобства сборки условные обозначения (индексы). На технологических схемах сборки условно изображают последовательность процесса с указанием индексов используемых деталей и сборочных единиц. Важнейшей задачей при разработке технологического процесса сборки является выбор его вида и формы организации.

7.9.2. Технология сборки машин

Технологический процесс сборки машин состоит из ряда операций и переходов, вид и последовательность которых определяются, прежде всего, конструктивными особенностями машины, ее сборочных единиц и деталей. Для установления последовательности опе­раций составляются схемы сборки: на основе чертежей машины выделяют сборочные единицы и сборочные группы, которые можно собирать независимо и изолированно друг от друга, с тем, чтобы затем объединить их на операциях монтажа сборочной еди­ницы и машины.

В каждом сборочном комплекте выделяют базовую деталь, на которой непосредственно или через промежуточные элементы опре­деляют положение всех других деталей и групп деталей, входя­щих в сборочный комплект. Такими базовыми деталями могут быть, например, станины, плиты, рамы, корпуса коробок и т. д.

Разработка схемы сборки является ответственным этапом про­ектирования технологии производства машин. Значение правиль­ного выбора схемы сборки возрастает по мере увеличения мас­штабов производства. При определении последовательности сбо­рочных операций обычно стремятся начать сборку сборочных единиц и изделий с деталей, входящих в наибольшее число раз­мерных цепей, и в первую очередь с наиболее ответственных деталей.

Технологический процесс сборки складывается из соединения сопрягаемых деталей и сборочных единиц путем приведения в соприкосновение их основных баз (соединяемых поверхностей); проверки точности относительного положения и движения собираемых деталей; необходимой подгонки, регулировки с целью получения соединения требуемой точности; фиксации (закрепления) установленных деталей и сборочных единиц в соответствии с конструктивными особенностями машины.

В условиях единичного и мелкосерийного производства, когда детали не взаимозаменяемы, применяют метод индивидуальной их пригонки. Такой метод сборки требует слесарной доработки сборочных единиц: притирки, опиливания, шабрения, соосной обработки отверстий и т. д.

В массовом и крупносерийном производстве используется дифференциация технологического процесса сборки, под которой подразумевается деление процесса сборки на элементы для последо­вательного выполнения на одном или нескольких рабочих местах. Дифференциация процесса сборки в определенных пределах обычно является выгодной. Только благодаря расчленению процесса на операции и рациональному распределению их по рабочим местам можно уменьшить трудоемкость сборки на 15...20%.

Проектирование технологических процессов сборки должно обеспечивать высокий уровень механизации работ, сокращение затрат и облегчение ручного труда, внедрение передовых техноло­гий сборки машин, использующихся на родственных предприятиях и в смежных отраслях промышленности; рациональное использова­ние имеющихся производственных ресурсов; передовые формы организации производства и наиболее прогрессивные, экономичные методы осуществления сборочных операций. При этом необходимо правильно определять режимные параметры процесса сборки (темп, ритм и цикл, коэффициент загрузки рабочего места и др.).

Темпом сборки называется период времени между выходами со сборки двух смежных готовых изделий.

Расчетную численность рабочих на каждой операции определяют как частное от деления времени, затрачиваемого на опера­цию, на темп сборки н округляют до ближайшего целого числа.

Ритм сборки - отношение количества собранных изделий к продолжительности их сборки, а время от момента поступления дета­лей на сборку до выпуска собранного изделия называется циклом сборки.

7.9.3. Испытания и приемка готовых сборочных единиц и машин

Опытный образец (опытную партию) продукции подвергают следующим видам испытаний (проверок): предварительным (заводским) и приемочным. В зависимости от характера связей между разработчиком, заказчиком, изготовителями и потребителями приемочные испытания опытного образца продукции могут быть ведомственными, вневедомственными и государственными.

Предварительные испытания выполняют согласно заданию и технической документации решают вопрос о возможности представления ее на приемочные испытания.

Приемочные испытания служат для определения соответствия продукции техническому заданию, требованиям стан­дартов и технической документации и определения возможности постановки продукции на производство.

Испытания проводят по программе и методике, которая обычно предусматривает проверку соответствия изделия чертежам, техни­ческим требованиям, паспортным данным и нормам точности; по­казателей качества и надежности изделия; обеспечения стабиль­ности работы изделия; удобства обслуживания и проведения ремонта изделия; комплектности изделия; соответствия изделия требованиям безопасности труда. Режим испытаний предусматри­вает необходимые замеры мощности, производительности, габарит­ных размеров, скорости передвижения и других параметров машин. В методике испытаний необходимо определять схемы и средства контроля и предельные отклонения заданных параметров.

Предварительные испытания проводит организация-разработ­чик с привлечением при необходимости предприятия — изготовителя продукции и предприятий-соисполнителей.

Приемочные испытания опытного образца организует пред­приятие-разработчик при участии предприятия-изготовителя и за­казчика. По результатам приемочных испытаний комиссия оформ­ляет протокол, на основе которого составляют акт, являющийся разрешением для постановки продукции на производство.

7.9.4. Пути повышения эффективности сборки машин

Сборка - один из наиболее трудоемких процессов в машино­строении. На сборочных операциях занято от 20 до 50 % работников предприятий. Поэтому совершенствование технологии сборки — одна из важнейших задач современного машиностроения. Весьма прогрессивным методом компоновки конструкции маши­ны, обеспечивающим наиболее рациональную организацию про­цесса ее сборки и существенные преимущества в эксплуатации, является построение машины из самостоятельных агрегатов или блоков, каждый из которых может собираться и регулироваться отдельно и подается на общий монтаж в законченном виде. Такой метод позволяет сократить длительность цикла за счет организации параллельной сборки агрегатов, снизить трудоемкость изготовле­ния изделия путем большей специализации рабочих, унификации и стандартизации отдельных агрегатов.

Важнейшими направлениями сокращения трудоемкости сборки, составляющей обычно 10...14% полной трудоемкости изготовле­ния машин, являются внедрение поточных методов сборки и со­кращение трудоемкости пригоночных работ за счет внедрения полной взаимозаменяемости деталей и сборочных единиц, а также механи­зация и автоматизация процессов их транспортировки к специали­зированным сборочным местам и на склад готовой продукции. Повышение производительности труда и сокращение производственного цикла могут быть достигнуты при частичной или полной автоматизации процессов сборки.

ЛЕКЦИЯ 8. ОСНОВЫ ТЕХНОЛОГИИ ХИМИЧЕСКИХ ПРОИЗВОДСТВ

8.1. Общая характеристика и технологические особенности химических производств

Химическая промышленность объединяет производства, в которых преобладают химические методы получения и переработки сырья и материалов. В химической отрасли промышленности основу производственных процессов составляют химические реакции, при которых происходят глубокие качественные изменения внутреннего строения и состава вещества. С их помощью на предприятиях химической промышленности производят следующую продукцию: кислоты, щелочи, соли, минеральные удобрения, растворители, лакокра­сочные материалы, клеи, лекарственные вещества, каучуки, смолы, пластические массы, химические волокна и другие, неорганические и органические продукты.

Отрасль химической промышленности составляют разнообразные предприятия, которые отличаются как технологическими процессами, так и конечными продуктами производства. Всю химическую продукцию можно разделить на следующие классификационные группы:

1. Неорганические вещества, включающие следующие основные продукты: аммиак; неорганические кислоты (серная, азотная, соляная); содовые продукты; щелочи; минеральные удобрения и ядохимикаты; силикаты (строительная керамика, вяжущие вещества, стекло).

2. Органические вещества: продукция переработки твердых топлив; продукция переработки жидких топлив; продукция переработки газообразных топлив.

3. Продукты органического синтеза: пластические массы; химические волокна; каучук и резина; лакокрасочные материалы.

4. Химические реактивы и особо чистые вещества.

5. Медикаменты и химико-фармацевтическая продукция.

Продукция химической промышленности используется в ряде отраслей народного хозяйства: в машиностроении (пластмассы лакокрасочные материалы, клеи, герметики, резины), сельском хозяйстве (удобрения и ядохимикаты), здравоохранении (лекарственные препараты, витамины) и т. д. Это накладывает определенные требования на качество химических продуктов, оно должно соответствовать требованиям стандартов. Качество химической продукции зависит как от качества применяемого исходного сырья, так и в значительной степени от уровни технологии ее производства.

К важнейшим процессам химической неорганической технологии относится производство аммиака, неорганических кислот (серна азотной, соляной) и минеральных удобрений (азотных, фосфорных калийных и комплексных). Особое место отводится серной кислоте. По объему производства и области применения она занимает одно из первых мест среди продукции химической промышленности. Серная кислота служит одним из главных продуктов, определяющих развитие химической промышленности, и используется в различных отраслях производства: в химической промышленности для производств удобрений, получения красителей, пластмасс, химических волокон, при производстве нефтепродуктов и др.; в металлургии - при выделении металлов из руд; в машиностроении - при травлении; в пищевой промышленности - при получении патоки, крахмала, спирта; в текстильной при отбеливании тканей и т, д.

8.2. Производство серной кислоты

Исходным веществом при ее получении служит сернистый ангидрид SO₃, образующийся при обжиге различ­ных серосодержащих продуктов. По химическому составу серная кислота представляет собой соединение серного ангидрида SO₃ с водой. В зависимости от их соотношения серная кислота может быть разбавленной, концентрированной или в виде олеума (раствор серного ангидрида в серной кислоте).

Сырьем для производства серной кислоты служат:

1. Сера - лучшее сырье для производства. При ее сжигании образуется чистый концентрированный сернистый газ, не загрязненный примесями, что упрощает его очистку при производстве серной кислоты. Но чистая сера - слишком дорогое сырье, вследствие чего себестоимость серной кислоты в два раза выше, чем при ее производстве из колчеданов FeS₂.

2. Серный колчедан FeS₂ широко распространен в природе. При наличии от 40 до 50 % серы в нем содержится также много ценных примесей (мышьяк, селен, медь, никель, серебро, золото и др.), которые тоже извлекаются.

3. Сероводород - значительное количество выделяется из газов неф­теперерабатывающей промышленности.

4. Отходящие газы цветной металлургии, образующиеся при пере­работке сернистых руд.

Использование сероводорода и отходящих газов цветной металлургии позволяет снизить себестоимость производства серной кисло­ты и, кроме того, улучшить условии труда на металлургических заво­дах и нефтеперерабатывающих предприятиях.

В настоящее время в промышленности серную кислоту получа­ют двумя способами - нитрозным и контактным. В обоих случаях сущность процесса сводится к окислению сернистого газа SO₂ до серного SO₃ и соединению трехокиси с водой. В обычных условиях сернистый газ кислородом воздуха не окисляется, поэтому процесс окисления осуществляется либо при помощи азота, либо в присут­ствии твердого катализатора. Способ окисления и определяет тех­нологию производства.

Нитрозный способ производства серной кислоты является более старым. Двуокись окисляют до SO₂ при помощи нитрозной смеси, состоящей из окиси и двуокиси азота, взятых в соотношении 1:1. Этот способ обладает рядом недостатков: трудно поддается ав­томатизации, получаемая кислота имеет концентрацию не более 75-77 % и загрязнена примесями. Имеющиеся недостатки привели к тому, что нитрозный способ производства серной кислоты утрачивает свое значение, и преимущественное развитие получает контактный способ.

Сущность контактного способа заключается в окислении двуокиси серы в присутствии твердого катализатора. Первоначально в каче­стве катализатора использовали платину. Затем она была заменена более дешевым и устойчивым катализатором на основе пятиокиси ванадия V₅OS.

При контактном способе производства может быть получена серная кислота практически любой концентрации и высокой степени чистоты. Такая серная кислота может быть использована в любом производстве. Серная кислота, полученная нитрозным способом по устаревшей технологии, используется при производстве сельскохозяйствен­ных удобрений, где не требуется высокой концентрации и чистоты исходных продуктов.

8.3. Производство минеральных удобрений

Минеральные удобрения - это вещества, ускоряющие биохимические процессы формирования и роста растений в почвах, бедны питательными элементами. Минеральные удобрения разделяются по видам и числу питательных элементов на простые - азотные, калийные, фосфорные и комплексные, содержащие несколько питательных макроэлементов. Кроме того, используются минераль­ные удобрения, содержащие микроэлементы (йод, бор, марганец, медь), которые могут входить в состав комплексных, Внесение минеральных удобрений в почву позволяет избежать ее истощения и уменьшения урожайности.

Минеральные удобрения при правильном их использовании обеспечивают прирост урожая на 30-70 %. Кроме того, они улучшают качество продукции - повышают содержание сахара в свекле и винограде, крахмала в картофеле, белка в зерне, увеличивают прочность волокон льна и хлопка. Также повышается устойчивость растений к болезням, засухе и холоду. Использование минеральных удобрений в зерновом хозяйстве снижает общие затраты труда на выращивание урожая па 35-40% и себестоимость зерна на 20 %.

Производятся минеральные удобрения в жидком и твердом виде. Жидкие удобрения экономически выгоднее, так как технология их производства проще. Однако требуются специальные склады и транспортные средства, поэтому их производство ограничено. В основном это удобрения на основе аммиака и аммиачной воды. Твердые удобрения производятся в гранулированном и мелко-гранулированном виде.

Преимущественно для производства простых минеральных удобрений используют аммиак, азотную, серную и фосфорную кислоты и соли калия. Производятся они с помощью реакций химического синтеза. Наиболее распространенные азотные удобрении: соли аммония; фосфорные удобрения (фосфор усваивается растениями в виде KV); двойной суперфосфат, фосфоритная мука, преципитат, обесфторейный фосфат; калийные удобрения.

Наиболее перспективные комплексные минеральные удобрения подразделяются на смешанные и сложные. Смешанные получаются механическим смешиванием нескольких простых удобрений, когда необходимо одновременно в один и тот же срок внести под возделываемую культуру два или более питательных веществ в строго определенном соотношении (например, суперфосфат и аммиачная селитра). Сложные получаются при химическом взаимодействии полуфабрикатов, например: аммофоса - из аммиака и фосфорной кислоты; нитрофоска - из хлористого калия, аммиака, серной кислоты и фосфорита.

Смешанные удобрения характеризуются универсальностью применения, но при изготовлении на местах потребления трудоемки, требуют специального оборудования, в результате чего не всегда обеспечивают удовлетворительное качество. Сложные удобрения имеют меньшую себестоимость, высокое качество и равномерно усваиваются. Однако они ограничены в использовании, так как для одной и той же культуры, выращиваемой в различных почвенно-климатических зонах, требуются удобрения с разным соотношени­ем основных питательных элементов.

8.4. Технологические процессы переработки топлива

Топливом называются твердые, жидкие и газообразные горючие вещества, являющиеся источником тепловой энергии и сырьем для химической промышленности.

В результате химической переработки различных топлив получают большое количество углеводородного сырья для производства пластических масс, химических волокон, синтетических каучуков, лаков, красителей, растворителей и т. п. Например, при коксовании углей получают: бензол, толуол, ксилолы, фенол, нафталин, антрацит, водород, метан, этилен и другие продукты. В качестве сырья используются газы, выделяемые при добыче нефти и ее переработке (крекинге, пиролизе, риформинге). Эти газы содержат метан, этан, пропан, бутан, этилен, пропилен и др.

Все топлива по агрегатному состоянию делится на твердые, жидкие и газообразные; по происхождению - на естественные и искусственные Искусственные топлива получают в ре­зультате переработки естественных топлив.

Одним из важнейших видов химического сырья является природный газ содержащий до 98 % метана. Древесина является источником сырья, как и торф, из которого производят горючие газы, сырье для производства масел, моторных топлив, высокомолекулярных соединений. Продукты переработки топлива обеспечивают энергией тепловые электростанции промышленные предприятия, транспорт, быт. Растет значение химического сырья. Развитие угольной и ядерной энергетики дает в будущем возможность прекратить потребление нефти и природного газа в энергетических целях и полностью передать эти виды топлива в сферу промышленности как сырье для химической промышленности, а также для синтеза белков и жиров.

Существуют следующие методы переработки твердого топлива: пи­ролиз (сухая перегонка), газификация и гидрирование.

Пиролиз осуществляется при нагревании топлива без доступа воздуха, В результате протекают физические процессы (испарение влаги) и химические процессы - превращение компонентов топлива с получением ряда химических продуктов. Характер протекания процессов зависит от вида перерабатываемого топлива. В основном все они требуют подвода тепла извне. Нагрев реакционных аппаратов производится горячими дымовыми газами, которые передают тепло топливу через стенку аппарата или при непосредственном соприкосновении с ним.

Газификация - процесс переработки топлива, при котором органическая часть его превращается в горючие газы, а присутствии воздуха, водяного пара, кислорода и других газов. Этот процесс экзотермический. Температура газификации составляет 900-1100 ˚С.

Гидрирование - переработка твердого топлива, ори которой под влиянием высокой температуры при действии водорода и в присутствии катализаторов происходят химические реакции, приводящие к образованию продуктов, более богатых водородом, чем исходное сырье, Качество и количество продуктов, полученных при гидрировании, зависит от вида перерабатываемого топлива, от условий проведения процесса и ряда других факторов.

Методы переработки жидкого топлива (нефти) делят на две группы - физические и химические.

Физические методы переработки основаны на использовании физических свойств фракций, входящих в состав нефти. Химические реакции при этих методах переработки не протекают. Наиболее распространенным физическим методом переработки нефти является ее перегонка, при которой нефть разделяют на фракции.

Химические методы переработки основаны на том, что под влия­нием высоких температур и давления в присутствии катализаторов углеводороды, содержащиеся в нефти и нефтепродуктах, претерпева­ют химические превращения, в результате которых образуются новые вещества. Это термический и каталитический крекинги.

Термический крекинг - химический метод переработки нефти, суть которого заключается в расщеплении длинных молекул тяжелых углеводородов, входящих в высококипящие фракции, на более короткие молекулы легких продуктов. Термический крекинг протекает при высоких температурах (450-500 °С) и повышен­ном давлении. Термический крекинг, проводимый при температуре (670-1200 °С) и при атмосферном давлении, называется пиролизом.

Каталитический крекинг основан на применении катализатора, который позволяет снизить температуру крекинга. Катализаторами служат глины типа бокситов, а также синте­тические алюмосиликаты. Температура крекинга – 450-500 °С. Процесс идет при повышенном давлении.

Разновидностью каталитического крекинга является риформинг. Катализатором служит платина, нанесенная на окись алюминия.

Вышеописанные методы переработки естественных топлив по­зволяют получать искусственные топлива и различные нефтепродукты.

В результате коксования углей получают следующие продукты:

1. Кокс - продукт темно-серого цвета, пористость которого составляет 45-55 %, содержит 97-98 % углерода.

а) доменный кокс (диаметр более 40 мм);

б) литейный кокс (диаметр от 25 мм);

в) коксовый орешек (диаметр 10-25 мм) применяется для производства ферросплавов;

г) коксовая мелочь (диаметр менее 10 мм) применяется для агломерации;

2. Обратный коксовый газ содержит 60 % водорода и 25 % метана, остальное - азот, окись углерода, углекислый газ, кислород, непредельные углеводороды. Применяется дня подогрева воздушного дутья в доменных печах, для обогрева сталеплавильных, коксовых и других-печей; служит также сырьем для производства водорода и аммиака.

3. Сырой бензол состоит из бензола, толуола, ксилола, сероуглерода, фенолов и др. Вещества, входящие в состав сырого бензола, широко используются в производстве полимеров, красителей, лекарственных препаратов, взрывчатых веществ, ядохимикатов и др.

4. Каменноугольная смола является смесью ароматических углеводородов, Ее используют для производства красителей, химических волоком, пластических масс, в фармацевтической промышленности, а также для производства различных технических масел.

В результате прямой перегонки нефти получают продукты, разделяемые на три группы: топливные фракции, масляные дистилляты и гудрон.

Топливные фракции (температура кипения от 150 до 400 °С) - это бензины, лигроины, керосины, газойль и мазут. Масляные дистилляты - это фракции с температурой кипения от 350 до 550 °С; применяются для получении смазочных и специальных масел. Гудрон - полупродукт для получения битумов и кокса.

При крекинге получают: крекинг-бензины, крекинг-газы и крекинг-остаток (смолистые и асфальтовые вещества).

В коксохимической и нефтеперерабатывающей отрасли промышленности затраты на сырье составляют 50-75 %. Следовательно, основным фактором, влияющим на себестоимость является снижение затрат на тонну выпускаемой продукции, которое можно осуществить совершенствованием технологических процессов переработки нефти и кокса, применением каталитических процессов, более совершенных аппаратов и комплексной автоматизации, что ведет к сокращению капи­тальных затрат, затрат на энергию и пар, повышение производи­тельности труда.

8.5. Технологические процессы производства полимерных материалов и пластмасс

Полимерами называются продукты химического соединения одинаковых молекул в виде многократно повторяющихся звеньев. Молекулы полимеров состоят из десятков и сотен тысяч атомов. К полимерам относятся: целлюлоза, каучуки, пластмассы, химические волокна, лаки, клеи, пленки, различные смолы и др.

По своему происхождению полимерные материалы делятся на природные и синтетические. К природным относятся: крахмал, канифоли, белки, натуральный каучук и др. Основную массу полимерных материалов, применяемых в современной промышленности, составля­ют синтетические полимеры. Они получаются с помощью реакций полимеризации (без образования побочных продуктов), например получение полиэтилена, и поликонденсации (с образованием побочных продуктов), например получение фенолформальдегидных смол.

Получение полимеров по реакции полимеризации осуществляется следующим процессом. В реакцию полимеризации вступают органические вещества, содержащие в молекуле двойные связи. Под воздействием света, тепла, давления иди в присутствии катализаторов молекулы веществ за счет раскрытия двойных связей соединяются друг с другом, образуя полимер.

При получении полимеров по реакции поликонденсации в реак­цию вступают два мономерных продукта с образованием полимера и побочного продукта.

Среди полимерных материалов особое место принадлежит пластмассам. Это материал, в состав которого в качестве основного компонента входят высокомолекулярные синтетические смолы. Их получают путем химического синтеза простейших веществ, извлекаемых из столь доступного сырья, как уголь, известь, воздух, нефть.

Главное преимущество использования пластмасс по сравнению с другими материалами - это простота переработки их в изделии. Присущие им пластические свойства позволяют с помощью пресс-автоматов, автоматов для литья и др. изготавливать в час сотни деталей сложных конфигураций. При этом расход материалов минимальный (практически кет отходов), уменьшается количество станков и обслуживающего персонала, сокращается расход электроэнергии. Ввиду этого требуется значительно меньше капиталовложений в организацию производства изделий из пластмасс.

Все вышеперечисленные достоинства пластмасс определили высокую технико-экономическую эффективность их использования и спо­собствовали тому, чтобы в современном производстве эти материалы стали не только заменителями дорогостоящих металлов и сплавов, но

Пластмассы широко применяются в народном хозяйстве: в ма­шиностроения, приборостроении, электро- и радиотехнике, быту и т. п. Они сочетают в себе ряд ценных свойств: являются хорошими диэлектриками, теплоизоляционными материалами, могут иметь низкую плотность, высокую коррозионную стойкость, легко формуются в изделия, могут заменять металлы и сплавы, имеют невысокую стоимость.

Методы переработки пластмасс и изготовления пластмассовых изделий зависят от отношения пластмасс к температуре. Выделяют термопластичные и термореактивные пластмассы.

К термореактивным относятся пластмассы, которые при нагревании до определенной температуры размягчаются, а затем переходят необратимо в неплавкое и нерастворимое состояние. Термореактивные пластмассы после отвердевания не могут быть переработаны повторно и поэтому называются необратимыми. Примером термореактивных пластмасс могут служить фенопласты.

Изделия из термореактивной пластмассы получают методом прессования в пресс-формах. Последние имеют внутреннюю полость, со­ответствующую форме и размерам будущего изделия, и обычно состоят из двух разъемных частей - матрицы и пуансона. Матрица укрепляется на нижней плите пресса, пуансон - на подвижном ползуне пресса. Отмеренное количество пресс-порошка, нагретого до 90-120 ˚С, подается в матрицу, имеющую температуру, необходимую для прессования. Под воздействием тепла от нагретой матри­цы полимер размягчается и приобретает необходимую пластичность. Под действием пуансона размягченный материал заполняет полость пресс-формы. При этом в термореактивной смоле прохо­дят сложные химические превращения, приводящие к образованию неплавкого материала. Затвердевание изделия происходит в форме, находящейся под давлением. После определенной выдержки из­делие извлекается из пресс-формы. Температура, давление и время прессования определяются свойствами прессуемых материалов. Кроме того, для переработки термореактивных пластмасс приме­няют и метод выдавливания, или экструзию. Этим методом получают изделия плоской (листы, пленки) или цилиндрической (стерж­ни, трубы) формы.

Для получения изделий из термопластичной пластмассы применя­ют следующие способы: литье под давлением, экструзию (выдавливание) и формование из листа. Их применение обусловлено термопластичностью материала.

Наиболее применимый способ переработки термопластичных пластмасс - литье под давлением. Выполняется на специальных литьевых машинах. Порошкообразный или гранулированный полимер подается, а обогреваемый цилиндр литьевой машины, где и расплавляется. При охлаждении термоплас­тичный полимер застывает и приобретает вид детали.

Также при переработке пластмасс в изделия применяют формовку, штамповку, механическую обработку резанием, выдувание пустотелых изделий. Все способы характеризуются коротким технологичес­ким циклом, небольшими затратами труда и легкостью автоматизации.

Химические волокна - это полимерные материалы, имеющие форму тел, длина которых во много раз превышает размеры их поперечного сечения. Делятся на две группы - искусственные и синтетические.

Искусственные получают из природных высокомолекулярных соединений - целлюлозы, казеина и др., синтетические - из высокомолекулярных соединений, полученных путем химических реакций из мономеров. Химические волокна превосходят натуральные по прочности они легче по весу, не подвержены гниению, Их себестоимость значительно ниже.

Основным сырьем для производства искусственных волокон служит целлюлоза - природный полимер, входящий в состав paстительных клеток и образующий твердый остов растений. В сухой древесине содержится 45-55 % целлюлозы. Наиболее ценные ее сорта получают из хвойных деревьев. Путем химической обработки целлюлозы получают такие волокна, как вискозное и ацетатное, применяемые для производства тканей. Кроме прочего ацетатное волокно обладает диэлектрическими свойствами.

Синтетические волокна получают из синтетических высокомолекулярных смол. Большую группу составляют полиамидные волокна капрон, нейлон. Они характеризуются высокой прочностью, эластичностью, стойкостью к действию щелочи, электроизоляционной стойкостью. К группе полиэфирных волокон относится лавсан. Он используется для производства тканей, трикотажных изделий, электроизоляционных материалов. Отличается высокой механической прочностью.

Технологический процесс получения химических волокон включает следующие стадии: